智能化LED照明系統的設計思考

譚建麟

甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730100

0 引言

在當今的科技化時代，隨著智能技術的不斷發展，智能化LED照明系統也開始在現代化智能家居中得到良好應用。為了確保智能化LED照明系統的應用效果，滿足用戶的實際應用需求，文章以智能家居中的智能化LED照明系統為例，分析其設計。希望通過文章的分析，可以進一步提升智能化LED照明系統的設計質量與應用效果，以此促進智能家居行業的良好發展。

1 智能化LED照明系統的應用優勢

智能化LED照明系統是指通過硬件連接的方式讓智能家居的所有LED照明燈具都集成到一個系統中，然后再通過軟件程序進行遠程智能化集中控制和分散控制。相比于傳統形式的照明系統，智能化LED照明系統的應用優勢十分顯著[1]。

（1）更加節能。LED燈具比傳統照明燈具節能，加之智能化控制技術的應用，可根據實際情況和實際應用需求進行開啟、關閉及亮度調節，顯著降低整體照明系統的電能消耗[2]。（2）控制更加高效靈活。智能化遠程控制技術結合各種傳感器，可以智能化地監控系統中的各個LED燈具，從而全面滿足用戶的應用需求[3]。（3）安全性更高。在智能化LED照明系統中，各種傳感器會采集智能家居的各種環境參數，可以及時發現異常，并通過用戶端App發出報警提示，從而實現良好的安全保障。（4）藝術效果更好。將智能化LED照明系統合理應用到智能家居中，可按照用戶需求調節燈光效果，包括開啟數量、顏色、亮度等，從而營造良好的藝術氛圍[4]。

2 智能化LED照明系統的設計

文章設計的智能化LED照明系統的主要組成部分有核心控制器（STM32型單片機）、LED燈具驅動電路、服務器及智能終端。該智能化照明系統中的LED燈具為RGBW四色形式，按照格拉斯曼混光原理設置。采用計算機控制LED混光比例，實現四路PWM波的輸出，再通過控制各種顏色燈光的亮度達到混光、混色效果。系統中的燈光顏色和亮度都能夠調節，并可以通過不同顏色和亮度的規律性變化來營造情境。將用戶端系統中的智能化設備安裝到控制中心，以物聯網為依托，可以遠程控制整個照明系統。系統中的傳感器會采集和上傳家居環境中的各項數據，既可以使數據以家居環境安全監測數據的形式顯示在用戶端，也可以為照明系統的自動化控制提供數據支撐，從而實現智能化LED照明系統的人性化設計。智能化LED照明系統的整體結構如圖1所示。

圖1 智能化LED照明系統整體結構示意圖

2.1 硬件系統設計

在該智能化LED照明系統中，硬件系統的主要組成部分有數據采集終端傳感器、燈控端及LED照明驅動電路。智能家居布線難度較大，需要通過無線傳輸技術實現傳感器、燈控端及LED照明驅動電路之間的數據傳輸。控制終端和云端之間的數據傳輸使用Wi-Fi，傳感器終端和照明控制端之間采用星型網絡通信技術和ZigBee技術。智能化LED照明系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 智能化LED照明系統的硬件結構示意圖

2.1.1 燈控節點設計

在硬件系統中，通過USB為燈控節點供電。STM32F103AET6作為主芯片，是以ARM Cortex-M3架構為基礎的處理器，其內核為32位，通信接口共5路，16位定時器共8個，可以滿足PWM波的多路輸出控制及串口通信需求。燈控節點電路主要涉及主控芯片、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊及若干個電路間的通信及控制模塊。為了避免數據因斷電而丟失，特在硬件設計中加入Flash模塊及EEPROM存儲模塊，以此保存Wi-Fi名稱及密碼等信息。通過燈光警示電路，可判斷燈控節點的實際工作情況，該電路中的燈具在正常情況下需要保持常亮，在不正常情況下將熄滅，可為系統檢測提供便利。

2.1.2 驅動電路設計

LED燈具燈光的常態特性只與電流有關，基于此，在設計中應用恒流驅動電路，以此獲取所需燈光的亮度及顏色，同時可以進一步擴大電流的利用空間。在系統中，RGBW四種色光的驅動電路都設計為相同形式，且都應用市電隔離AC/DC形式的驅動電路。

在具體設計中，通過變壓器對220 V市電進行變壓，然后使其流過橋式整流器，再通過穩壓管進行穩壓處理，最后應用LED驅動器中的AL8805轉換器為LED照明系統提供恒流驅動電流。AL8805轉換器是專門為智能化LED照明系統的恒流驅動設計的一種DC/DC降壓型轉換器，其控制方式為PWM波輸入，可同時驅動的LED燈具數量為8個，可以滿足照明端的實際驅動需求。在此過程中，為了避免PWM信號受到干擾，進一步確保電路的穩定性，將1個10 kΩ的下拉電阻設置在PWM波輸入端及大地之間，并將2個33 Ω左右的電阻分別設置在VPN及SET的2個輸入引腳之間，以此調整輸出電流。

2.2 軟件系統設計

系統軟件設計主要包括通信協議設計、燈控節點程序設計、云端服務器設計及控制終端軟件設計。

2.2.1 通信協議設計

在設計智能化LED照明系統軟件中的通信協議時，在系統遠端服務器及各個燈控節點之間應用樹枝格式固定的控制指令，其中的數據傳輸格式共有10個字節。系統軟件通信協議中的幀定義格式如表1所示。

表1 系統軟件通信協議中的幀定義格式

其中，幀頭主要判斷通信開始，在設計中，其固定值是0xFF；LDE ID主要控制單燈，通過移動智能終端，可進行單燈分組，以此實現燈組控制，而在燈組控制模式下，單燈控制會失效；控制碼0x01～0xFF分別代表LED燈具的開關操作及各種的情景模式，在情景模式中，四色光值會失效；RGBW四種色光值的范圍都在0～255，其主要作用是將相應的數據源提供給控制器的PWM輸出，以此達到混光、混色效果，調節LED的亮度及顏色；校驗碼主要為奇偶校驗形式，以此讓數據傳輸保持準確；幀尾是對一個通信幀所進行的約束，在設計中，將其固定值設置為0xFD。

2.2.2 燈控節點程序設計

在智能化LED照明系統中，燈控節點的主要功能有兩個：（1）以調節器的形式設置在ZigBee網絡中用作網絡構建的核心，其主要作用是處理采集到的環境信息；（2）實現整個系統和服務器之間的信息交互，從而遠程控制環境數據信息的上傳及LED燈具的調節。考慮到控制指令數據量及系統之間的適用性，將云端控制指令的接收設置為優先接收，在接收此指令之后才可以接收環境數據。系統軟件中的主控節點程序流程如圖3所示。

圖3 主控節點程序流程示意圖

2.2.3 云端服務器設計

在智能化LED照明系統軟件中，云端服務器分為處理層及端口層。其中，處理層主要以MySQL數據庫為依托，其主要功能是報文數據解析、讀寫及儲存；端口層的主要作用是實現云端服務器、LED燈具控制端及用戶終端App之間的數據交互。借助HTTP協議，App端可以在云端服務器上創建需要的后端接口，以滿足其數據交換需求。智能家居中的本地端硬件設備不具備很高的相對性，在設計中主要通過MQTT（消息隊列遙測傳輸協議）實現云端服務器和用戶端硬件設備之間的數據交互。MQTT是由IMB公司研發的一款及時型通信協議，該協議在當今的物聯網領域得到了廣泛應用。在軟件設計中，主要應用MQTT協議中的消息發布與消息訂閱模式。

上傳環境數據時，發布方是用戶端硬件，訂閱方是云端服務器；通過用戶App端下達遠程智能化控制指令時，發布方是云端服務器，訂閱方是用戶端硬件。通過這樣的方式，可實現LED照明系統的智能化監控，讓燈光亮度和顏色與實際環境達到良好的匹配效果；也可以根據用戶的實際需求進行燈光顏色與亮度的遠程調節控制，以此充分滿足用戶的個性化應用需求。

2.2.4 控制終端軟件設計

在智能化LED照明系統中，控制終端主要基于Android系統設計，可以通過Android Studio開發控制軟件，通過Gradle自動化構建用戶端App中的各種項目。在控制終端軟件中，主要的功能框架可以分為燈光控制模塊、系統管理模塊、環境數據模塊及情景模式模塊四個模塊。各個功能模塊的主要功能如表2所示。

表2 控制終端軟件各個功能模塊的主要功能

3 結束語

綜上所述，在當今的智能家居領域，智能化LED照明系統占據重要地位。通過合理設計智能化LED照明系統，不僅可以提升智能家居照明系統的節能降耗效果，還可以滿足用戶的日常照明需求及個性化情景照明需求，并進一步提升照明燈具控制的便捷性與靈活性。另外，借助智能化LED照明系統的用戶終端App，可以實時采集智能家居室內環境數據，以便及時發現異常，為用戶提供更好的安全保障。基于此，在現代化智能家居的設計中，設計者要科學設計智能化LED照明系統，以此為用戶提供智能化的服務。