基于物聯網和軟件電源技術的照明控制系統

王 學

（深圳市鐳潤科技有限公司，廣東 深圳 518060）

0 引 言

隨著LED光源技術和物聯網技術的快速發展，將LED光源技術與智能傳感器網絡、物聯網技術以及軟件電源技術結合，通過實時監測環境智能分析工作場景，利用軟件調節光源亮度，可最大程度實現系統性節能照明。

目前，基于物聯網的照明控制系統的設計路線主要是通過WiFi、ZigBee、LoRa以及NB-IoT等網絡集中管理控制光源，對光源亮度級別控制和整體成本控制的關注相對較少[1]。使用成熟的無線傳輸芯片可顯著降低系統成本，并通過軟件電源技術靈活控制光源亮度，配合智能算法分析，可有效降低無用功耗，同時提高整個系統的節能效果。

1 系統方案組成

1.1 系統架構

照明控制系統由智能燈具（燈具傳感器）、光源控制網關、光源控制智能云平臺以及客戶端控制界面4部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

系統的主要工作流程分為3個過程。首先，燈具傳感器獲得燈具周圍的環境信息和環境改變量，通過2.4G慢跳頻組網技術傳輸給光源控制網關，由各個光源控制網關將數據通過以太網傳輸給云平臺處理。其次，云平臺實時檢測光源控制網關傳輸來的傳感器數據，通過模糊計算等智能決策，根據客戶設置的照明策略生成相應的照明方式響應過程。最后，云平臺通過以太網將照明響應過程發送給各光源控制網關，光源控制網關通過2.4G慢跳頻組網傳輸給燈具傳感器，燈具傳感器根據命令實時調整燈具的開關和亮度[2]。

1.2 智能燈具（燈具傳感器）

智能燈具（燈具傳感器）集成了傳感器、通信模塊以及軟件電源功能的照明設備，可通過紅外線、超聲波以及光照傳感器采集當前燈具所處位置的光照、行人及車輛信息，并通過通信模塊發送給光源控制網關，從而響應智能云平臺發來的命令，控制光源的亮度和開關等。通信部分使用成熟的2.4G物聯網芯片，通過2.4G慢跳頻組網技術實現自組網的雙向通信和廣播信息，實現信息在低碼率下的快速交互。軟件電源功能通過微處理器（MCU）調節LED電源的恒流和恒壓輸出，實現無級調節控制光源亮度，并靈活調整照明亮度，使光源控制智能云平臺的光源控制要求實現最優化。

1.3 光源控制網關

光源控制網關可以控制燈具傳感器組網，將接收到的傳感器信息傳輸給光源控制智能云平臺，并將響應過程廣播給燈具傳感器。

智能燈光控制網關選擇STM32F417作為主芯片。該芯片是最高運行頻率168 mHz的Arm Cortex-M4F 32-bit RISC芯片，具有以太網和SDIO等豐富的接口。該芯片上具有鑒權模塊、傳感器通信模塊、傳感器組網模塊、智能決策處理模塊、控制決策模塊、計費運營模塊、數據統計模塊以及云平臺接口等多個功能模塊。

智能燈光控制網關需要實現傳感器網絡的組網控制、與傳感器網絡間的數據交互、傳感器網絡和用戶的鑒權控制、對節電耗電的計費運營控制、數據智能決策處理、統計處理數據以及云平臺接口通信等多項功能。

1.4 光源控制智能云平臺

光源控制智能云平臺是整個智能照明控制系統的控制中心，接收光源控制網關上傳的燈具傳感器的數據，通過傳感器狀態和客戶端設置的響應策略，用人工智能的輔助手段計算響應過程，然后通過控制網關將命令下發給燈具傳感器進行處理。

因為每個智能燈光控制網關的計算能力有限，所以需要將數據通過云平臺接口傳輸給光源控制智能云平臺。云平臺獲得每個項目和客戶的數據后，通過模糊計算和神經網絡等智能決策技術，計算人體、車輛檢測的最佳閾值及燈光控制的最佳亮度等信息。根據計算的閾值，生成不同的控制策略。

1.5 客戶端

控制客戶端給出系統的控制接口，用戶可通過客戶端查看當前系統狀態、修改照明策略以及查看節能效果等?？稍谑┕るA段進行布局設計和初始數據設置，在施工調試和使用過程中根據實際情況改變照明策略，監控控制系統狀態，如當前整體耗電情況、燈具的運行狀況以及是否有壞燈等。此外，還可以查看使用LED光源產生的計費情況。

2 關鍵技術

2.1 2.4G慢跳頻組網技術

系統中的傳感器網絡通過2.4G FSK通信技術實現，技術簡單可靠且成本低廉。未應用避免沖突的載波多路偵聽技術（CSMA-CA）時，需要解決同頻載波沖突問題。使用慢跳頻組網技術可以解決這個問題，可快捷有效地實現傳感器網絡的通信。

應用慢跳頻組網技術時，每個通信模塊都可以工作在半雙工模式下，既可以發射又可以接收，同時有88個頻點可以選擇。正常工作時，傳感器作為接收端使用，每5.28 ms切換1個接收頻點。當有數據要發送時，在F1、F2、F3上分別發送，每次發送3組，每組內每個頻點發送3次，即F1F1F1F2F2F2F3F3F3、F1F1F1F2F2F2F3F3F3和 F1F1F1F2F2F2F3F3F3。每組數據發送耗時5.28 ms，發送完所有數據約需16 ms。數據發送和接收的時序如圖2所示。

圖2 慢跳頻時序

圖2中，接收1恰好在合適時間接收到發送的所有頻點，理論上最多可以接收到9個有效數據。接收2～接收6分別描述在不同范圍內的接收情況，理論上最多可以接收到8個數據。由于這8或9個數據的內容完全一致，接收端僅需要判斷數據相同并處理一次即可。發送端發送的數據中，字節Rf_Index是發送數據的序號，命令格式如圖3所示。

圖3 命令格式

2.2 軟件電源技術

軟件電源技術采用可以快速配置調整輸出電流值的軟件電源模塊，通過微處理器STM8S10X設置電源的輸出電流值，從而控制燈具的亮度。軟件電源原理如圖4所示。

圖4 軟件電源原理框圖

圖中①為處理器，通常為1個帶有AD/DA（或PWM輸出）功能的單片機。該處理器接收程序預先設定的電壓、電流以及外部數據接口發送來的電壓和電流，輸出用于控制電源輸出電壓的設定電壓Vset和用于控制電源輸出電流的設定電壓Iset。其中，Vset輸出給電壓反饋環路②，Iset輸出給電流反饋環路③。Vset和Iset均為特定電壓值，包含設定輸出電壓和輸出電流的信息。

電壓反饋環路②為一個閉環放大器，其輸入量為處理器的輸出電壓Vset和輸出的采樣電壓Vsense，輸出量為Vfb，與Ifb一起輸給開關電源控制電路⑤。電壓反饋回路的工作原理是比較Vset與Vsense，并輸出Vfb給開關電源控制電路⑤，改變開關電源輸出電壓，從而使Vsense與Vset達到預期的對應關系。如果Vset與Vsense為1：10的關系，則當Vset為1 V時，Vsense為10 V環路才能達到平衡。如果Vsense不滿足10 V的條件，該環路輸出的Vfb將作用在開關電源控制電路⑤上，使其調整輸出電壓，進而使Vsense穩定在10 V。通過該環路實現輸出電壓Vset和處理器設定電壓Vset變化的對應關系，從而實現電源的輸出電壓通過處理器可控。

電流反饋環路③與電壓反饋環路②的工作原理一致，同樣為一個閉環放大器，輸入量為處理器輸出的Iset和輸出的采樣電流Isense，輸出量為Ifb，與Vfb一起輸出給開關電源控制電路⑤。電流反饋環路的工作原理是比較Iset與Isense的值，并輸出Ifb給開關電源控制電路⑤，改變開關電源輸出電流，從而使Isense與Iset達到預期的對應關系。通過該環路可以實現輸出電流Iset和處理器的設定電壓Vset變化的對應關系，從而實現電源的輸出電流通過處理器可控。

電壓控制環路②和電流控制環路③的輸出量Vfb和Ifb相加后輸出給開關電源控制電路⑤，用于控制電路的輸出PWM占空比和開關頻率，進而驅動開關變換/整流濾波電路⑥，通過輸出檢測電路⑦輸出采樣電壓Vsense和采樣電流Isense，分別提供給電壓反饋環路②和電流反饋環路③。開關變換/整流電路⑥經過輸出檢測電路⑦后形成電源輸出，用來給負載供電。

輸出檢測電路⑦輸出的Vsense和Isense也可以輸出給處理器①，用來監測當前電源的實際輸出電壓和實際輸出電流，判斷電源的工作狀態。輸出給處理器①的Vsense和Isense信號無需參與輸出電壓和輸出電流的閉環控制。

實際應用中，電壓控制環路②和電流控制環路③中通常只有一個達到鎖定狀態。電壓控制環路②鎖定時，電源工作在恒壓輸出狀態；電流控制環路③鎖定時，電源工作在恒流輸出狀態。這兩種狀態可以根據負載的情況轉變。在恒壓狀態下，如果負載電流升高并達到輸出電流設定值，則轉為恒流輸出狀態；在恒流狀態下，如果輸出電壓升高并達到電壓設定值，則轉為恒壓工作狀態。

3 結 論

系統設計完成后，對各組成部分進行軟硬件開發和測試。測試結果表明，本系統設計可靠穩定，組網方式靈活，使用方便，不僅能顯著提高控制系統對照明環境的適應能力，還能提高照明控制系統的能效，降低系統的組網成本。