基于無線傳輸?shù)腖ED燈遠程控制系統(tǒng)設(shè)計

陳修竹++闞碩++田少博++朱佳磊++姚海浪

摘要：代軌道交通為廣大市民提供了一種方便快捷的出行方式，隨著軌道交通的發(fā)展，乘客對地鐵車輛的運行舒適性有了更高的要求，車廂內(nèi)的照明環(huán)境也越來越影響到乘客的乘車感受。為了推進可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排進程，推廣LED燈具在地鐵上的應(yīng)用，由現(xiàn)在智能手機上的自動調(diào)節(jié)亮度得到啟發(fā)，設(shè)計研究一種通過光線的明暗強度變化自動調(diào)節(jié)LED燈亮度的系統(tǒng)。此系統(tǒng)以單片機為主控制器，通過組建無線信號網(wǎng)絡(luò)進行無線信號傳輸，對LED燈具實現(xiàn)遠程控制。通過本項目的研究有望提供一種結(jié)構(gòu)新穎、成本低，使用壽命長，節(jié)電效果好，可靠性高的地鐵LED照明方案，能長期有效地節(jié)約運營成本和維護費用，對保證軌道交通綜合技術(shù)水平的提高有重大意義。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；LED；自動控制

1 研究現(xiàn)狀

軌道車輛照明用電來自外部供電系統(tǒng)，軌道車輛的照明系統(tǒng)采用220V的交流電或110V的直流電具有很多優(yōu)點，這樣可以使得車載燈具及其它電器設(shè)備與普通市電照明的燈具具有良好的互換性，給相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)帶來極大的方便。在傳統(tǒng)的照明具有有線固定式開關(guān)，顏色亮度大多不可調(diào)不可控，隨著人們對方便的無線開關(guān)方式以及對室內(nèi)燈色多彩多變的追求以及環(huán)保觀念的增強，傳統(tǒng)照明方式正向著無線控制、多變、節(jié)能的方向發(fā)展。同時，在實際的工程應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)開放性部署特點，使得節(jié)點極大可能遭受惡意行為的攻擊和干擾。所以要采用一套系統(tǒng)的無線通信協(xié)議，以加強無線控制系統(tǒng)的健壯性。在利用外部供電220V的條件下，利用單片機數(shù)據(jù)處理，通過傳感器和信號發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對LED燈的無線控制。

2 自動調(diào)光原理分析

PWM（Pulse Width Modulation），脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制的原理是，控制對LED所施加脈沖周期不變，即脈沖信號的頻率不改變，只改變周期的開關(guān)時間，這樣周期內(nèi)的高低電平所占時間會在周期的開關(guān)時產(chǎn)生變化，也就是占空比發(fā)生變化。脈寬調(diào)制的工作原理就是通過調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比來調(diào)節(jié)通過LED的平均電壓，進而控制LED的亮度變化。

通過PWM調(diào)光的優(yōu)點有很多，比如調(diào)光的顏色不會有很大改變，即色偏??；可以得到更高亮度的燈光光照度，適合公共場合光照需要；通過PWM調(diào)光由于電壓脈沖的頻率不會改變，所以在調(diào)光的過程中基本不會出現(xiàn)頻閃的現(xiàn)象；PWM可調(diào)制范圍大，可以感受到很明顯的光照度變化，脈沖的最大占空比與最小占空比的比值可以達到2950左右。

PWM調(diào)光也有其缺點，第一，它的實現(xiàn)需要配置PWM調(diào)光信號源，這樣就會使成本高于模擬調(diào)光。第二，PWM調(diào)光容易使驅(qū)動電路產(chǎn)生噪音.

3 驅(qū)動芯片的選擇

驅(qū)動芯片是驅(qū)動部分的核心，驅(qū)動芯片的選擇尤為重要。本文采BTS7960驅(qū)動芯片。BTS7960驅(qū)動芯片通過驅(qū)動集成技術(shù)，將邏輯電平輸入結(jié)構(gòu)、電流取樣診斷結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器聯(lián)接，并將失效發(fā)生時間，防止欠電壓、過電流和短路結(jié)構(gòu)連接到一個微處理器上。

4 LED照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

城市軌道交通車輛車廂的設(shè)計主要包括光照度采集設(shè)計，LED調(diào)光控制模塊設(shè)計，主控制系統(tǒng)設(shè)計（單片機控制模塊），無線傳輸模塊設(shè)計，LED燈排的電路設(shè)計等。光照度采集模塊中的光敏電阻負責(zé)采集來自地鐵車廂的環(huán)境光強度，通過整流濾波電路以電信號的形式傳輸?shù)絾纹瑱C進行數(shù)據(jù)的處理，處理得來的信號經(jīng)過調(diào)壓濾波傳送到NRF無線傳輸模塊的引腳，NRF以傳送字節(jié)的形式將控制信號傳送到LED驅(qū)動電路控制模塊，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制端的單片機信息進行處理，根據(jù)環(huán)境光強調(diào)制成對應(yīng)的PWM占空比進行調(diào)制，對應(yīng)的平均電流在驅(qū)動電路進行處理后驅(qū)動LED燈產(chǎn)生相應(yīng)的光通量，整個系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，將車廂光照度時刻保持在適應(yīng)乘客的最佳狀態(tài)。

度采集模塊的2.4G無線信號，經(jīng)控制模塊單片機數(shù)據(jù)處理后進行PWM調(diào)制，形成對應(yīng)的平均電流對LED燈排進行驅(qū)動，這一部分的工作是在驅(qū)動電路

如圖，nRF接收到來自于單片機Flash的的信息，根據(jù)發(fā)送格式向驅(qū)動電路板上的nRF接收端發(fā)送指令。驅(qū)動電路模塊的nRF信號接收器接收信號并將信號傳送給驅(qū)動電路，進而控制LED燈排的亮度變化。

圖 LED無線傳輸流程圖

5 結(jié)論與展望

通過本次設(shè)計研究，發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低，設(shè)計方便系統(tǒng)的電路。電路的效率高；通過無線傳輸，控制PWM調(diào)節(jié)，按照此方法設(shè)計的系統(tǒng)能充分發(fā)揮LED的節(jié)能優(yōu)勢。缺點是電路缺乏過熱保護模塊，因為在LED工作過程中產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不及時散出，會影響到LED的壽命和發(fā)光質(zhì)量，引起光衰等問題，因此，下一步的改進著重于自適應(yīng)照明方面。

系統(tǒng)利用單片機技術(shù)和無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，將LED驅(qū)動的電流通過PWM調(diào)節(jié)，達到了預(yù)先期望，在不同的外界光強情況下能夠得到不同的LED燈光亮度，從而保持車廂環(huán)境光照度保持在一個最佳狀態(tài)。通過本文對軌道車輛用電的分析，可以考慮將本設(shè)計研究應(yīng)用到軌道車廂照明中去，對未來LED的發(fā)展和軌道車廂照明系統(tǒng)的改進具有突破性作用。