一款基于物聯(lián)網技術的智能照明驅動設計

李志陽，盧光義，陳育智，連光濤

（1.廈門華廈學院，福建廈門，361024；2.廈門奇力微電子有限公司，福建廈門，361000）

0 引言

LED 照明已經日益成熟，其體積小、耗能小、可控性強等特點，使得它在室內家居照明的優(yōu)勢日益突出。其中，LED 可控性強的特點受到了業(yè)界廣泛的關注，其不僅可以有效控制亮度，亦可以控制其色溫，更可以營造不同的燈光場景以滿足我們更高品質生活的追求。特別是光健康方面的研究，也越來越受到室內照明工程設計的重視，這也正好需要LED 光源的可控性特點。

LED 光源的可控性需要具有與LED 驅動電源相結合的可控制電路。近年來，常見有基于單片機等技術的LED 控制電路研究，在一定程度上實現了LED 的調光、調色等控制。而隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，各種短距離通信技術的優(yōu)化，越來越多的學者開始致力于實現LED 控制電路的無線化、智能化。本設計以研究成員所在公司研發(fā)的LED 驅動電源VAS 系列芯片為基礎，結合藍牙技術和WiFi 技術，設計一款LED 無線控制照明系統(tǒng)，并分析總電路的調光和頻閃消除效果。

1 照明系統(tǒng)硬件設計

■1.1 系統(tǒng)組成

LED 智能無線照明系統(tǒng)主要由三部分組成（見圖1 照明系統(tǒng)架構示意圖）：

圖1 照明系統(tǒng)架構示意圖

第一部分是LED 驅動部分，由VAS1105 做LED 驅動芯片；

第二部分是供電系統(tǒng)，由VAS1156 提供；

第三部分是無線控制模塊，本設計擬采用EВ10X 藍牙模塊。

VAS1156 是一顆高壓線性 LDO，輸入電壓范圍為 AC 85～265V，輸出 3.3V，持續(xù)帶載能力可達 30mA，外圍應用簡單?？捎米髦悄芗揖印⒅悄苷彰飨到y(tǒng)的 Zigbee、藍牙、紅外以及 MCU 等模塊的供電。

無線控制模塊部分由無線藍牙/WiFi 模塊組成，結合手機APP，可遠距離控制燈具的開關和顏色切換。

■1.2 基本控制系統(tǒng)電路設計

該設計以單片機為核心控制，外圍器件簡潔，可去電源化生產，驅動部分和單片機供電以及智能調光模塊控制，都是可全貼片生產，其整體應用電路設計如圖2 所示。

圖2 整體應用電路圖

1.2.1 電源設計

VAS1156 是一顆高壓低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，輸入電壓范圍為AC 85～265V，輸出3.3V，持續(xù)帶載能力可達30mA，外圍應用如圖2 所示。其不僅可以應用于單片機MCU 的供電，還可用作智能家居、智能照明系統(tǒng)的Zigbee、藍牙、紅外以及MCU 等模塊的供電。

1.2.2 LED 驅動電路設計

VAS1105 是市電線性恒流芯片，可設計在120V 的電路系統(tǒng)和220V 的電路系統(tǒng)，典型應用如圖3 所示。

圖3 VAS1105 應用圖例

VAS1105 驅動電路具有如下功能：

（1）設置LED 電流，VAS1105 通過電阻RSET1可設置LED 電流，計算公式如下：

（2）過溫保護，當輸入電壓上升時，LED 陰極電壓也會上升，可能會造成芯片過熱，VAS1105 解決方法如下：

①當 VAS1105 的內部溫度上升到140°C，VAS1105 進入過溫補償模式，LED 電流開始隨著溫度的升高而減小。

②當內部溫度繼續(xù)上升達到160°C 時，VAS1105 進入過溫關斷模式，LED 電流為0，當內部溫度降到130°C 時，芯片重新正常工作。

（3）調光應用，VAS1105 支持模擬調光、PWM 數字調光和可控硅調光。

①當ADJ 管腳的模擬電壓為0～1V 時分別對應LED 電流的0～100%，大于1V 時輸出電流不再改變。當輸入調光電壓較高時，可通過設置合適的電阻分壓來調光。應用原理圖如圖4 所示。

圖4 模擬調光應用圖

②當使用PWM 調光時，可直接將PWM 信號接到ADJ管腳進行調光，應用原理圖如圖5 所示。

圖5 PWM 調光應用圖

（4）無頻閃應用VAS1105 可搭配VAS1101 實現無頻閃，并且在模擬調光、PWM 調光、可控硅調光過程中全程無頻閃，具體應用原理圖如圖6 所示。

圖6 降低頻閃電路設計圖

2 系統(tǒng)調試分析

■2.1 VASP1105 輸出測試

經過測試顯示，VAS1105 輸出電流為5mA～60mA，可通過外圍電阻設置，設計LED 負載所需要的電流。同時滿足 0～1V 模擬電壓調光、數字PWM 調光、可控硅調光LED 驅動方案。本設計采用數字PWM 調光方式，測試結果如圖7 所示，可以發(fā)現其調光曲線已經非常接近線性曲線，能夠實現較為精準的調光應用。而且使用可控硅調光時，VAS1105 內置的調光電路在輸入電壓比較低時抽取額外的電流以保證調光效果，在輸入電壓比較高時不再額外抽取電流以保證高效率，調光全過程無抖動，兼容性極佳。

圖7 測試結果

■2.2 頻閃消除測試分析

圖8 波形：CH1：（黃色）去頻閃兩端吸收的電壓紋波，CH3：（紅色）輸出燈珠電壓波形，CH4：（綠色）輸出電流紋波。

圖8 頻閃測試對比圖（1）

從輸出的電壓來看，兩者相差不大。但是從輸出電流來看，可以明顯發(fā)現增加了消除頻閃的電路后，因為吸收了電壓紋波后，輸出電流變?yōu)闃O其平滑，已經非常接近直流輸出。解決了大部分的頻閃問題。為了進一步驗證結果，我們又采用高幀相機進行拍攝，結果如圖9 所示。

圖9 頻閃測試對比圖（2）

測試結果發(fā)現，未增加頻閃消除電路時，如圖9(a)顯示燈亮時用相機能夠拍到有明暗相間的條紋，此為頻閃，長期在此環(huán)境下工作或閱讀，容易讓眼睛疲勞，造成視力損害。而增加頻閃消除電路后，如圖9(b)所示，用高幀相機拍攝時，其亮度幾乎不變，可以認為幾乎無頻閃。

3 無線控制模塊設計

隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，各種近距離無線通信方式在各種智能控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中，研究較多的方式包括藍牙技術、Zigbee 技術、無線射頻技術（RFID、NFC）和WiFi 技術等。本設計采用了藍牙技術和WiFi 技術兩種常用方式進行設計制作并比較。

■3.1 藍牙控制模式

基于藍牙技術的控制方式，本設計直接采用EВ10X 藍牙模塊，該模塊是南京奧杰科技生產的一款帶有自組網能力且普遍應用于燈光照明控制系統(tǒng)的無線控制模塊。其成本低，自組網絡穩(wěn)定，符合藍牙規(guī)范，可應用于無線傳感、控制及數據采集。特別是，該模塊針對LED照明應用開發(fā)了專用的固件，支持開關、定時、分組、情景模式，固件無線升級，參數設置等功能。且配備手機APP 客戶端，大大節(jié)省了應用的開發(fā)成本。模塊可采集光強度傳感器、動作傳感器的信息，可以控制LED 燈、遙控器和觸控開關等，實現數據的采集傳遞和電器件的控制。EВ10X 對外提供了1 個UART 串行通訊接口，1 個I2C 通訊接口，和5 路PWM 輸出，可滿足不同客戶需求。其手機APP 界面如圖10所示。

圖10 藍牙控制APP 界面

■3.2 WiFi 控制模式

基于WiFi 技術的控制方式，本設計采用ESP8266-01 無線 WiFi 模塊。根據模塊的各管腳的功能，完成了ESP8266-01 模塊的電路結構，其中，4、8 腳分別接3.3 V 的電源和 GND，STM32 串口2 與模塊串行通信腳相連接，ESP8266 模塊1 腳與STM32 的PA3 相連（TXD 連接RXD），ESP8266 模塊第五腳（發(fā)射腳）與STM32 的PA2（接收腳）相連，模塊2 腳與R10 10k 電阻默認上拉，而模塊則進入 AT命令模式，此時可以通過模塊AT指令說明書，進行查詢或者配置模塊。WiFi 模塊電路原理圖如圖11 所示。

圖11 WiFi模塊電路原理圖

WiFi 模塊ESP8266具有透明傳輸功能。可以先設置網絡參數以建立連接，然后使用該命令進入傳輸模式。在傳輸模式下，主機通過UART 將數據傳輸到ESP8266，并通過無線網絡發(fā)送數據。接收的數據通過 ESP8266 通過網絡發(fā)送到主機。其主程序如圖12所示。

圖12 WiFi模式主程序流程圖

首先是程序的開始運行，開機結束后馬上開始初始化（初始化系統(tǒng)時鐘、串口，初始化定時器、GPIO 端口等等）。等待初始化結束后進行程序循環(huán)，單片機會先發(fā)送AT 指令，對ESP8266模塊進行系統(tǒng)性的配置，如果配置成功，標記為設置為1；否則，就會繼續(xù)進行循環(huán)，直到成功后進行下一步。當設置結束后，LED的燈光開始閃爍。在這個時候，這個模塊會檢測到WiFi的連接，如果連接成功，那么就會開啟通訊。設定的計時器可以將數據按時傳送至手機，心跳間隔為5S，心跳是為了維持模塊通訊的鏈接，探測鏈接是否中斷。之后MCU 會實時解析到通過WiFi 獲取到的信息，并執(zhí)行對應的指令。WiFi 模塊和MCU 之間的通信流程如圖13 所示。

圖13 WiFi ESP8266通信流程圖

圖14 控制子程序流程圖

ESP8266 模塊既可以當客戶端連接其他熱點，可以當服務端，開啟端口讓其他設備接入，本次設計將模塊設置監(jiān)聽端口（TCP 服務端模式），并通過手機APP 進行TCP 連接。通過接收來自APP 的數據，對MCU 進行無線控制，其控制子程序如圖14 所示。

其控制主要包括無線APP 操作打開和關閉燈具以及定時關閉燈具兩種模式。

■3.3 兩種模式調試對比

在藍牙技術控制模式的調試中，我們主要做了一對一的燈具控制模式，優(yōu)勢在于幾乎沒有時延，界面操作也比較直觀。但是其一對多的操作則比較不方便，其形成的微微網并不是真正的MESH網絡，且在藍牙配對上有一定的先后順序。而Wi-Fi 的組網則更為簡單，且可以與互聯(lián)網結合，形成更遠距離的控制，其在組網或一對多控制的情況下有較明顯的優(yōu)勢。

4 結束語

本設計結合近距離無線通信技術設計了一款基于物聯(lián)網技術的LED 驅動電路，實現了無線控制和可調光技術。在驅動電路測試方面，測試結果表明，電路不僅能夠實現更穩(wěn)定的直流電源，且可以根據各種LED 照明系統(tǒng)進行輸出電路匹配設計，同時實現了較為精準的可調光技術可供照明系統(tǒng)進行調光方式的選擇。此外，本次設計針對頻閃對眼睛的危害問題，設計了一款頻閃消除電路，在VAS1105 上搭配VAS1001，測試結果表明該設計能夠滿足無頻閃要求，無傳導輻射問題，適合各類調光應用的需求。

在無線控制上本文比較了藍牙技術和Wi-Fi 技術兩種方式，發(fā)現WiFi 技術的優(yōu)勢更為明顯。