基于物聯(lián)網架構的智能照明系統(tǒng)設計

摘? 要：對物聯(lián)網技術進行了研究，分析了傳統(tǒng)非智能照明現狀，進行了物聯(lián)驅動設計，提出了以RL78/I1A主控芯片為核心、可實現實時監(jiān)測、精準控制、智能照明的系統(tǒng)方案。分別由感知、控制、網絡和綜合應用四層組成，支持ZigBee、以太網等多種通信協(xié)議，基于智能網關、現場智能硬件、信息采集模塊及完整通信協(xié)議，可對LED燈顏色、飽和度、亮度、開關進行分組調控。經調試，系統(tǒng)調光曲線平穩(wěn)，諧波失真、功率能耗指標優(yōu)異，拓展性強，具有較好的推廣性。

關鍵詞：物聯(lián)網架構;模塊化設計;智能照明系統(tǒng);RL78/I1A單片機

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0168-03

Abstract： This paper studies the Internet of things technology， analyzes the current situation of traditional non intelligent lighting， designs the IOT drive， and puts forward a system scheme with RL78/I1A main control chip as the core， which can realize real-time monitoring， accurate control and intelligent lighting. It is composed of four layers： perception， control， network and comprehensive application. It supports various communication protocols such as ZigBee and Ethernet. Based on intelligent gateway， on-site intelligent hardware， information acquisition module and complete communication protocol， it can group regulate the color， saturation， brightness and switch of LED lights. After debugging， the system has stable dimming curve， excellent harmonic distortion， power consumption index， strong expansibility and good popularization.

Keywords： Internet of things architecture; modular design; intelligent lighting system; RL78/I1A single-chip microcomputer

0? 引? 言

照明系統(tǒng)是智能家居領域最為重要的組成部分，隨著科學技術快速發(fā)展，如今人類對于照明系統(tǒng)的要求已不再是傳統(tǒng)、簡單的視覺層面的明暗表現，而是變?yōu)閷Ω挥忻栏小O具智能化照明方案的極致追求[1]。當下LED照明已進入智能時代，越來越多的人開始考慮如何節(jié)約電能，享受多樣化照明功能帶來的時尚美感與舒適性，提高照明系統(tǒng)實用效率。但是，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)功能單一、能耗高、線路煩瑣，無法滿足智慧生活高品質要求[2]。物聯(lián)網的出現，讓Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IOT等無線通信技術的融合成為可能，本研究基于物聯(lián)網為架構，提出一種基于RL78/I1A方案可實現精準控制、實時監(jiān)測、智能照明的智慧系統(tǒng)控制策略，設計了一款基于物聯(lián)網環(huán)境下的智能照明系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)總體控制方案

1.1? 設計原理

“照明”是人類生活的基本需求，隨著物聯(lián)網技術快速發(fā)展與變革，智能化LED照明在醫(yī)學抗抑郁癥治療（情緒調節(jié)）、家庭氛圍調節(jié)、景觀照明以及智能樓宇照明控制等方面實現了廣泛應用，但是對于智慧生活家庭而言，智能化LED照明更需要控制方案的個性化與集成化，比如，傳統(tǒng)的燈具使用壽命短，對環(huán)境和人體污染危害大，所以設計一款能實現燈光軟啟動、強弱調節(jié)、定時控制以及場景設置等多樣化功能的LED燈控制方案就十分重要[3]。基于此，本研究基于物聯(lián)網四層架構，應用現代網絡技術、傳感技術、智能控制技術以及自動軟件技術等，將感知層、控制層、網絡層及綜合應用層集成到一體，以單片機為核心，由各種傳感器、智能照明終端和網絡通信終端等，組成了可完成對燈的亮度、顏色以及周圍環(huán)境進行智能感知與實時監(jiān)測控制的各級智能硬件和網關，然后借助網絡及現場控制軟件，實現對照明系統(tǒng)的遠程綜合控制，智能照明方案拓撲圖如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)架構

如圖2所示，本系統(tǒng)采用模塊化設計思想，主要由感知層、控制層、網絡層和綜合應用層四層組成，同時可支持ZigBee、以太網、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多種通信協(xié)議，借助物聯(lián)網智能網關，可實現對上述多種通信協(xié)議的互換，同時還設計了同時支持人體傳感、紅外測距傳感以及光敏傳感、聲音傳感的多種智能傳感器，在支持對LED燈光遠程控制與智能控制基礎上，讓本系統(tǒng)應用場景和方案更加廣泛[4]。

2? 硬件功能設計

本智能照明系統(tǒng)硬件控制器采用RL78/I1A系列單片機，各級控制器分別由智能網關硬件模塊、現場控制智能硬件、信息感知與采集模塊三部分組成，其中，智能網關硬件模塊采用38引腳，現場控制智能硬件采用30引腳，信息感知與采集模塊硬件控制器采用20引腳。為了有效增強上述三個不同級別智能控制器對本照明系統(tǒng)現場和遠程控制的可兼容性與統(tǒng)一性，本研究采用同一系列單片機來對各級控制器進行集成，既縮短了系統(tǒng)硬件模塊開發(fā)時間，節(jié)省了成本，又減少了開發(fā)工作難度，更重要的是有效實現了本系統(tǒng)各級控制器之間的無縫協(xié)同控制工作[5]。

2.1? 智能網關硬件模塊

智能網關硬件模塊是現場ZigBee、以太網、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多種通信協(xié)議之間實現順利轉換的中樞，它分別包含串口拓展模塊、主控芯片模塊以及各通信硬件協(xié)議棧三大結構，可支持對上述協(xié)議的智能鑒別與轉換。其中，智能網關硬件中的主控芯片采用國產GM8125芯片，由于主控芯片外設資源較多，但該模塊只有三個串行口，為了豐富串口擴展器，該芯片將主控制器三個串行口一擴為五，共有15個串行口，而每個主控芯片均與GM8125一擴五芯片相連，構成不同的硬件協(xié)議棧，然后基于每個串行口端口地址來針對不同的硬件協(xié)議類型進行有效識別，由此順利實現對對應層中相關的軟件模塊控制程序數據進行解析[6]。因本智能照明系統(tǒng)RL78/I1A單片機有專用引腳，且支持DALI協(xié)議，因此主控芯片直接連接RL78/I1A單片機的DALI硬件協(xié)議棧，而無須通過GM8125串口擴展芯片。

2.2? 現場控制智能硬件

基于物聯(lián)網架構的智能照明系統(tǒng)現場控制智能硬件主要負責的工作內容是：

（1）采集信息感知層的相關信號;（2）按照系統(tǒng)預設閾值和用戶的控制決策指令，對各類使用場景中的智能LED燈進行遠程和現場智能控制;（3）作為遠程服務器終端，對系統(tǒng)智能網關硬件模塊上傳的控制命令信息進行分析和存儲，從而實現對智能LED燈的調控。

在上述功能開發(fā)基礎上，本研究在硬件設計過程中，同時還在現場控制智能硬件的信息感知層設計了異常報警功能模塊，當用戶智能家居使用場景中的電源供電不足或者電路發(fā)生異常時，系統(tǒng)的信息感知層通過收集異常故障信息，主動發(fā)起通信，通過Wi-Fi即可實時給用戶或者安全操作員及時發(fā)送相關的故障信息及報警指令。

2.3? 信息感知與采集模塊

信息感知層主要工作是采集現場周圍的環(huán)境信息，然后針對智能家居環(huán)境中采集到的信息進行預處理，并實時傳給現場控制智能硬件模塊，經過對感知信息的進一步處理與分析，實現對LED照明系統(tǒng)的智能化控制。本系統(tǒng)的物聯(lián)感知層可同時感知智能家居周圍環(huán)境中的紅外信號、光敏源、聲音源、人體健康信息等，基于感知層的數字傳感器，采集上述信息，然后通過與控制器相連接，從而直接經過串口進行相關數據傳送[7]。

3? 軟件控制流程設計

本智能系統(tǒng)軟件模塊分別與該系統(tǒng)物聯(lián)網架構中的感知層、控制層、網絡層和應用層相對應，由于本系統(tǒng)可同時支持ZigBee、以太網、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多種通信協(xié)議，因此本研究開發(fā)制定了一套能夠同時針對智能LED燈進行亮度控制、顏色調節(jié)、延遲開關燈控制以及飽和度設置的完整的智能燈控系統(tǒng)通信協(xié)議[8]，該通信協(xié)議接口簡單，可預設不同的用戶情境模式，并支持遠程訪問，可對智能LED燈組進行分別控制，較好地覆蓋和滿足了現代人工智能照明領域所有的智能照明控制功能，如圖3所示為本智能系統(tǒng)軟件模塊主控程序發(fā)起的即時通信的控制程序。

4? 系統(tǒng)測試

在完成上述所有硬件與軟件設計任務之后，為了確保本智能系統(tǒng)能夠實現安全、經濟、可靠運行，本研究將對系統(tǒng)硬件部分及軟件部分分別進行功能測試。本系統(tǒng)測試平臺包括示波器、PC、串口調試軟件、萬用表以及智能手機、網絡調試助手等。

4.1? 硬件測試

本系統(tǒng)硬件功能模塊測試主要分為PWM調光測試、聲音傳感器測試、紅外模擬測試以及Wi-Fi通信測試四部分內容。由于調光功能是物聯(lián)網架構下智能照明系統(tǒng)基本功能的重要體現，所以本研究主要使用萬用表針對電位器兩側的電壓及燈組使能端電壓相關變化情況進行測量，由此檢測和判斷RL78/I1A系列單片機PWM波的輸出情況。測試結果表明，電位器與智能LED燈輸入端電壓基本保持相同的變化，PWM調光測試結果符合系統(tǒng)燈控設計要求，如表1所示。

4.2? 軟件測試

硬件測試之后，搭建整機測試平臺，將無線調光系統(tǒng)操作軟件安裝于智能手機中，本研究選用的BLE Mesh模塊為鼎芯開發(fā)設計的DXW520，該模塊同時搭載了配套的Andird和IOS操作應用軟件，所以用戶可接入私有云實現對智能照明系統(tǒng)進行無線組網調節(jié)和控制。

以ISO系統(tǒng)為例，安裝相關版本應用軟件，打開智能手機中的APP MeshLed-E，此時系統(tǒng)會自動進入BLE Mesh組網控制界面，只需等待設備進行自動掃描和識別，即可登錄操作軟件。在軟件內部，用戶可以根據自己需求設置相應的應用狀態(tài)與控制情景，在燈具控制界面還可對燈具名稱進行自由修改，也可設置鬧燈，設定燈具固定閃爍頻率。在調光界面，APP還可根據系統(tǒng)提前燒錄的固件信息來判斷燈具功能，然后進行自定義設置，比如在2 200 K～5 500 K區(qū)間范圍內自由設定燈光亮度，調節(jié)白光、彩色氛圍光等RGB三基色，也可實現延時開關燈與待機操作，在實際使用時，用戶也可根據自己的個性化需求，在場景設置中設置和添加自己想要的場景，比如冷白、溫和、夕陽、晚餐、看電視、娛樂等氛圍，營造不同的使用智能家居體驗。

5? 結? 論

本研究基于感知層、控制層、網絡層和綜合應用層四層架構的模塊化設計思想，開發(fā)設計了一款集智能網關、現場控制智能硬件、信息采集模塊為一體的物聯(lián)網智慧照明系統(tǒng)。經過對LED智能照明系統(tǒng)分別進行電性能、電氣指標、調光、待機功耗優(yōu)化及無線組網操作測試，結果表明，本系統(tǒng)在1%～100%的調光范圍內，系統(tǒng)的待機功耗極低，電氣性能的各項技術指標表現優(yōu)秀，系統(tǒng)各軟硬件模塊的組網功能、調光線性度和兼容性參數均滿足實際應用要求，本系統(tǒng)還可根據用戶需求進行容量擴展，更加節(jié)省硬件資源，便于后期升級維護，且基礎照明、物聯(lián)網通信以及服務控制等各項功能運行可靠，滿足設計要求。

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作者簡介：包佳佳（1983.03—），女，漢族，江蘇南京人，講師，本科，研究方向：電子電工、物聯(lián)網。