淺析基于IOT的LED智能照明控制系統設計方案

摘要：針對傳統照明的有線、機械的控制方式，文章提出一種基于物聯網（InternetOfThings，IOT）技術的LED智能照明控制系統，將智能控制模塊嵌入LED照明終端，綜合運用嵌入式技術、無線傳感器網絡等技術，實現智能化、數字化、無線化的智能照明控制方式，同時還具有環境溫濕度、光照度等環境參數的監測功能。

關鍵詞：物聯網；智能照明；環境監測；ZigBee

1前言

隨著LED照明越來越普及以及移動互聯網技術的快速發展，人們對家居生活的網絡化、智能化、節能化的需求越來越強烈，將家用電器、照明燈具、安防報警等模塊通過無線網絡集成到控制平臺，實現智能控制和智能管理。隨著物聯網（TheInternetofthings，IOT）產業的發展，智能LED照明已成為IOT中重要的一部分。本文為了“綠色智慧照明”的實施而提供智能化的LED照明控制系統，利用物聯網技術、嵌入式技術等，實現對LED燈具多種照明模式的無線遠程控制，并對LED燈具工作范圍內的環境照度、LED燈具工作狀態進行實時監測，同時利用傳感器技術實現LED照明的自適應光照調節以及多種組合的燈光色彩變換，從而創造出一種舒適、節能、安全的光環境，系統原理框圖如圖1所示：

2系統硬件設計

本系統的硬件設計包括LED燈具控制終端和觸控面板兩部分，用于實現LED燈具的智能照明控制；主要包含控制模塊、通信模塊、LED驅動模塊、電源模塊等。

2.1主控單元的硬件設計

LED智能照明控制系統的主控單元主要LED燈具控制終端和數據采集終端兩部分組成。LED燈具控制終端以ARM處理器STM32為控制核心，由電源電路，外圍電路，光照傳感器組成；數據采集終端則由溫濕度傳感器，照度傳感器，PM2.5傳感器組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

2.2觸控面板的硬件設計

觸控面板的硬件電路設計基于新一代ARM處理器STM8S來實現，STM8S系列處理器自帶觸摸軟件庫的設計，利用電容本身具有的電荷轉移特性，可以實現電容式的觸摸傳感檢測。在LED智能照明控制系統中，主要實現了LED照明燈具的開關按鍵以及滾動條亮度調節的設計，其電路原理圖如圖3所示。

2.3ZigBee無線通信模塊的設計

為了實現LED智能照明系統的集中管理以及環境監測功能，本文采用基于物聯網的ZigBee無線模塊構成通信網絡。本系統的Zigbee無線通信模塊采用CC2530模塊，TICC2530是一個實質的系統芯片（SoC）CMOS解決方案。該解決方案將提高性能和適應基于頻段應用，和它的低成本、低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧并且效能更高的8051控制器。

2.4電源模塊的設計

考慮到本設計應用在家庭場合，而家庭中一般提供的電源主要220V交流電源，因此電源模塊設計時需要采用多個分離元件來實現不同電壓輸出的穩壓電路，其中3.3V和5V電源首先經開關電源將220V電源轉換成12V直流電源再得到。

+12V轉+5V使用的是LM2576系列的穩壓器，LM2576能夠驅動3A的負載，有優異的線性和負載調整能力，其+5V電源原理圖如圖4所示：

+5V轉+3.3V使用的是AMS1117電壓調節器，AMS1117可以提供1A的輸出電流，min輸入電壓為1V，輸出+1V。通過+5V穩壓到+3.3V后供給CPU和其他芯片，其+3.3V電源原理圖如圖5所示。

3系統軟件設計

系統的軟件設計主要實現LED智能照明控制與環境數據的采集和傳輸，通過采用ZigBee無線通信網絡可以實現LED燈具的集中管理以及數據采集功能。

4安科瑞智能照明控制系統

4.1概述

ALIBUS智能照明產品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩定。開關驅動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業微電網管理云平臺進行數據交換。

4.2應用場所

適合于各類智能小區、醫院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

4.3系統結構

4.4系統功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態，反饋現場受控回路的開關狀態，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發生模塊離線、網關設備掉線或者狀態反饋和下發控制命令不一致時會發生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現開關控制。

4）開關驅動器支持過零觸發功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預設掉電狀態，當照明電源掉電時，開關驅動器會自動切換到預設的掉電狀態；確保重新上電時燈具的開關狀態是確定與可控的。

6）拖動調光控件，照明設備從0%到100%進行調光，可以對單個照明回路實現調光控制，調光總控可以對一個模塊的照明回路實現調光控制，也可以對多個照明回路實現調光控制，通過圖標的亮滅狀態反饋現場開關的狀態。

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標的亮滅顯示對應的場景狀態是打開還是關閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，對該事件點執行的動作進行設置，設置燈在設定的時間點亮或者滅。

9）系統可以通過預設的當地經緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據天文時鐘控制照明開關，實現日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發保存至驅動模塊；當上位機系統故障或模塊離線時，驅動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線結構；系統內各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過程序的設定實現功能的多樣性。

12）預留BA或第三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。