基于物聯網的智能LED照明集中控制系統*

羅　樂

(成都工業學院 電子工程學院， 成都 611730)

LED照明因其具有低碳環保、能耗低、使用壽命長、響應速度快和顏色豐富等優點，已被人們廣泛關注和使用，利用LED來替代當前普遍使用的節能燈是照明系統的必然發展趨勢.

然而，現有的大部分LED照明僅采用簡單的人工控制和時間控制的照明方式，不具備智能控制功能或僅具備低級的智能控制方式，無法對LED燈進行自檢，也不能對其進行本地和遠程調控，導致運營成本較高.隨著信息技術的不斷發展與進步，人們的生產生活邁入了新的時代，開始探索利用新技術來改造現有的照明系統.物聯網的出現和普及為解決該問題提供了有效的方法.物聯網是在傳統互聯網的基礎上，利用無線通信技術將各種信息敏感器與控制器結合起來，形成一個龐大的網絡，極大地方便了人與物、物與物之間的溝通和聯系.目前，國內外很多學者都圍繞基于物聯網來設計LED智能照明系統這個主題開展了相關的研究工作[1-7].

為了使LED路燈照明系統能夠按需智能工作和實時監控，從而達到提高用電效率和節約電能的目的，本文設計了一套基于物聯網的智能LED照明集中控制系統，以STM32系列的ARM處理器作為微控制器，采用ZigBee無線網絡將系統的不同模塊聯系起來，根據光照度傳感器檢測到的外部環境明暗度和控制中心的指令來調節LED路燈不同的照明方式，實現LED路燈照明集中化和遠程化的智能控制.

1　系統設計方案

1.1　總體設計

在本文系統中，基于物聯網的智能LED照明集中控制系統總體框圖如圖1所示.控制系統由上位機和下位機兩部分構成.上位機包含控制中心和相應軟件，主要負責顯示下位機采集的數據和向下位機發送控制指令；下位機包含ZigBee無線通信組件和LED照明終端，主要負責采集LED照明終端、無線網絡的信息和傳輸上位機的控制指令.

圖1　系統總體框圖Fig.1　Overall block diagram of system

1.2　ARM控制處理器

在控制中心部分采用STM32系列的芯片作為微控制處理器，它是一類內嵌了Cortex-M3內核的ARM處理器，具有非常多的外設可供使用，屬于32位的內核處理器，有4GB的尋址空間，具備了存儲保護單元.

在STM32F107的架構內部，CM3內核分別通過三條不同的總線與其他組件和部件相連，即連接Flash存儲器的I_Code總線、連接總線矩陣的D_Code總線和系統總線.除此之外，STM32F107內部主要還有DHA總線和AHB/APB橋.

1.3　ZigBee集中控制網絡

ZigBee是一種具有低功耗、低成本、網絡拓撲靈活且時間延遲短等特點的無線雙向通信技術[8]，它的傳輸距離約為10～75 m，擴展之后能夠傳輸幾百米，甚至可以達到幾公里，已被應用于傳輸速率較低的無線通信設備中，在控制領域被廣泛應用.

ZigBee的協議棧包含了七層：物理層、MAC層、網絡層、應用層、應用支持子層、應用程序框架和設備對象層.ZigBee集中控制網絡是一種無線網絡，其由一個協調器節點、多個路由器節點以及終端節點構成，每個部分負責不同的功能.ZigBee的網絡拓撲結構主要有網狀型、樹型和星型三種.本文主要采用樹型結構，示意圖如圖2所示.在該結構中，協調器位于整個網絡的控制中心，主要負責創建、管理和維護整個ZigBee無線網絡，以及作為外部網絡與內部網絡的通信樞紐；路由器節點用來發現路由，分別向終端節點和協調器節點傳遞數據；終端節點位于LED路燈終端，主要負責采集LED照明終端的數據、接收控制指令和作出控制響應.在系統正常工作時，上位機可以通過串口或網口向協調器發送控制指令，協調器再經由無線網絡和路由器將控制指令發送給終端節點，終端節點收到信息后，將采集到的數據再由相反的路徑上傳給上位機.

圖2　ZigBee網絡拓撲結構示意圖Fig.2　　　　Schematic topological structure of ZigBee network

1.4　LED路燈終端設備

LED路燈終端設備示意圖如圖3所示.該設備主要包含控制模塊、恒流驅動模塊、時鐘模塊、光電檢測模塊和顯示模塊.

圖3　LED路燈終端設備示意圖Fig.3　　　　Schematic terminal equipment of LED street lamp

2　系統硬件設計

2.1　控制處理器硬件設計

控制處理器的硬件部分是整個智能LED照明集中控制系統的核心，主要負責網絡的構建、維護和管理以及數據和指令的發送.本文選用STM32F107VCT6系統電路作為最小系統，晶體振蕩器分別設計了HSE和LSE兩個外部時鐘電路，前者的頻率為25 MHz，能為最小系統提供準確的主時鐘，后者的頻率為32.768 kHz，它是功耗較低的時鐘，但具備定時功能.該控制處理器將采集到各端點的數據進行分類處理和打包封裝，再通過串口或網線發送給上位機.

2.2　網絡硬件設計

根據ZigBee的規范和手冊[9-10]為ZigBee網絡硬件電路最小系統分別設計兩個頻率為32 MHz和32.768 kHz的外部晶振時鐘.根據系統要求為路由器節點設計硬件電路.由于路由器節點的作用是在協調器與LED終端之間進行中繼路由，為了提高無線網絡的傳輸距離和減少數據指令的錯誤傳輸，必須增強路由器的功率.CC2530能夠傳輸的最大距離不超過100 m，考慮到阻攔和障礙引起的衰減，本文將CC2530模塊和CC2591模塊結合起來，確保整個系統能正常工作.

2.3　終端設備硬件設計

在LED路燈終端設備上，恒流驅動部分選用的LED驅動芯片為MBI1802R-EXT，其具有節能和使用方便的優點，只需要調節外接電阻即可控制其輸出電流；在環境光照度檢測部分，采用BH1750FVI光照度傳感器和CC2530模塊，輸出端連接AVR控制器的I/O口，能夠采集當前環境的光照度數據，通過CC2530發送給協調器節點；在LED照明燈亮度調節部分，選用PT4115調光模塊和CC2530模塊，通過CC2530模塊接收協調器節點的數據，根據照度值改變PWM的脈沖，用恒流來驅動多個LED燈照明；在時鐘電路部分，AVR控制器與DS1302通過3線串行連接，用它來控制RST、SCLK和I/O，即可在兩者之間傳輸數據.

3　系統軟件設計

系統的軟件設計主要分為數據采集、數據發送和網絡控制三部分.在數據采集部分，終端節點按照一定的時間周期采集當前的光照度、溫度和濕度等數據；在數據發送部分，終端節點通過ZigBee網絡中的路由器節點發送給協調器，其中，路由器節點負責中繼作用；在網絡控制部分，協調器整合接收到的數據發送給上位機，并且上位機生成的控制指令由協調器發送給終端節點.為了實現這三部分的功能，首先要設計正確的通信協議，然后再對路由器和協調器分別進行程序設計.

3.1　通信協議設計

通信協議分為路由器與協調器之間的通信協議和協調器與上位機之間的通信協議.在路由器與協調器之間，為了確保數據收發的有效性，需要對描述符的輸入簇和輸出簇進行配置，并根據簇ID來對數據進行分類.簇ID的定義如表1所示.

表1　簇ID定義Tab.1　Definition of cluster ID

協調器與上位機之間的通信協議定義為：協調器通過串口接收到上位機的數據采集控制指令之后轉發至路由器，與此同時，協調器將路由器傳輸來的終端節點的采集數據通過串口發送給上位機；上位機向協調器發送開關等控制指令之后，由協調器來開關與路由器節點相連的終端節點.

3.2　路由器程序設計

路由器的程序設計需要實現以下功能：1)自動加入網絡，將自己的網絡地址傳輸給協調器；2)采集敏感器的各類數據，含溫度、濕度和光照度等；3)根據控制指令周期性地向協調器發送采集的數據.路由器程序設計流程圖如圖4所示.

圖4　路由器程序設計流程圖Fig.4　Flow chart of program design for router

3.3　協調器程序設計

協調器可以在兩種模式下工作：直接接收數據和通過串口觸發接收數據.在第一種模式下，協調器直接接收路由器節點傳輸的數據，再由串口發送給上位機；在第二種模式下，協調器在經過串口收到上位機發送的數據傳輸指令后，將該指令轉發至相應的終端節點，由終端節點通過路由器節點發送給協調器，再由協調器經過串口發送給上位機.協調器程序設計流程圖如圖5所示.

4　系統性能測試與分析

在系統設計完成之后，為了驗證系統設計的合理性和有效性，確保其能夠正常運行，需要對系統性能進行模擬試驗.系統的性能測試分為通信網絡測試、終端節點控制測試和系統功能測試.

4.1　通信網絡測試

由上位機通過串口發送指令到協調器，再經過ZigBee網絡向路由器節點和終端節點發送相應的數據.將上位機發送的數據與終端節點接收的數據進行比較，測試ZigBee網絡的通信性能.

在經過反復測試之后，得到的測試結果如表2所示.從表2可以看出，ZigBee通信網絡具有較強的抗干擾性能，節點之間傳輸的數據較準確，系統比較穩定，能夠達到系統的數據通信需求.

圖5　協調器程序設計流程圖Fig.5　Flow chart of program design for coordinator

測試時間min發送字節數正確接收字節數錯誤接收字節數誤碼率%6075007446540.7418022500223621380.6136045000448311690.3848060000597942060.34

4.2　終端節點控制測試

終端節點控制測試主要是對LED燈的工作進行測試，包含了對環境亮度變化的測試、故障的測試、恒流的測試和功率調節的測試.

1) 環境亮度變化的測試.在終端節點上，通過模擬改變LED燈所處環境的光照度使得敏感電阻的電壓值大小發生變化來控制LED燈的開關.在測試過程中，首先使LED燈處于關閉狀態，減小光照度，LED燈亮；然后增大光照度，LED燈滅.因此，LED燈能夠響應環境光照度的變化.

2) 故障的測試.將LED燈關閉，使得測量比較器的電壓值較低，終端節點能夠堅持到該狀態，然后將狀態發送給路由器，再由路由器將故障狀態通過ZigBee網絡傳輸給協調器和上位機.因此，故障的檢測具有較高的時效性.

3) 恒流的測試.在終端節點上給LED燈的輸出功率設定為500 mW，標準供電電壓為5 V，過壓保護為8.5 V.當外接電壓值由4 V變化到8 V時，任意選取9個點進行測試，計算偏差，得到的測試結果如表3所示.從表3中可以看出，LED燈工作的平均電流為89.78 mA，偏差率的平均值為0.77%，小于給定的偏差1.2%.因此，具有較好的恒流驅動效果.

表3　恒流測試結果Tab.3　Test results of constant current

4) 功率調節的測試.在終端節點上，通過控制可調脈寬信號，將功率按照50 mW等間隔，從300 mW調節到700 mW，并使用萬用表測量LED燈的電壓和電流，計算出實際功率，結果如表4所示.從表4可以看出，在300～700 mW的范圍內，功率調節的偏差小于1%.因此，具有較好的功率調節效果.

4.3　系統功能測試

在完成硬件部分的測試之后就是對系統的功能進行總體測試.將各部分整合為一個系統，在模擬的真實燈光環境下，分別測試LED燈的遠程調光控制和LED燈智能調光控制.測試環境搭建完成之后，在上位機上啟動服務器和監控軟件，統計4個檔位燈光強度下系統的功率、耗電量、省電量和響應延時等參數，在每個檔位下重復10次測試，得到的測試結果如表5所示.從表5可以看出，遠程控制和智能控制的延時分別在0.5和2 s以內，且檔位越低，省電率越高，因此，能夠滿足工程實際使用的需要.

表4　功率調節測試結果Tab.4　Test results of power regulation

表5　系統性能測試結果Tab.5　Test results of system performance

5　結　論

降低LED路燈的能量消耗，實現LED路燈的自動監控是智慧城市的基本要求.本文設計了一種基于ZigBee的物聯網智能LED集中控制系統，系統運行簡單、維護方便且智能化的程度較高，可以對LED路燈節點進行自組網，能夠實現由環境光照度來自動調整LED路燈光照功率的功能，極大地提升了LED路燈的節能效益并節省了LED路燈管理的人力與物力成本.相對于傳統的LED路燈照明系統，本文系統具有更加明顯的效能優勢和廣泛的應用價值.