基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘? 要：對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了傳統(tǒng)非智能照明現(xiàn)狀，進(jìn)行了物聯(lián)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，提出了以RL78/I1A主控芯片為核心、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、精準(zhǔn)控制、智能照明的系統(tǒng)方案。分別由感知、控制、網(wǎng)絡(luò)和綜合應(yīng)用四層組成，支持ZigBee、以太網(wǎng)等多種通信協(xié)議，基于智能網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)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(guān)進(jìn)行分組調(diào)控。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)光曲線平穩(wěn)，諧波失真、功率能耗指標(biāo)優(yōu)異，拓展性強(qiáng)，具有較好的推廣性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu);模塊化設(shè)計(jì);智能照明系統(tǒng);RL78/I1A單片機(jī)

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(lǐng)域最為重要的組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)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(xiàn)，而是變?yōu)閷Ω挥忻栏?、極具智能化照明方案的極致追求[1]。當(dāng)下LED照明已進(jìn)入智能時(shí)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(shí)尚美感與舒適性，提高照明系統(tǒng)實(shí)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(zhì)要求[2]。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，讓W(xué)i-Fi、BLE、ZigBee、NB-IOT等無線通信技術(shù)的融合成為可能，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)為架構(gòu)，提出一種基于RL78/I1A方案可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、智能照明的智慧系統(tǒng)控制策略，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)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(shè)計(jì)原理

“照明”是人類生活的基本需求，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展與變革，智能化LED照明在醫(yī)學(xué)抗抑郁癥治療（情緒調(diào)節(jié)）、家庭氛圍調(diào)節(jié)、景觀照明以及智能樓宇照明控制等方面實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)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(gè)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(shè)計(jì)一款能實(shí)現(xiàn)燈光軟啟動(dòng)、強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、定時(shí)控制以及場景設(shè)置等多樣化功能的LED燈控制方案就十分重要[3]?；诖?，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)以及自動(dòng)軟件技術(shù)等，將感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層及綜合應(yīng)用層集成到一體，以單片機(jī)為核心，由各種傳感器、智能照明終端和網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行智能感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測控制的各級智能硬件和網(wǎng)關(guān)，然后借助網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場控制軟件，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程綜合控制，智能照明方案拓?fù)鋱D如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要由感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和綜合應(yīng)用層四層組成，同時(shí)可支持ZigBee、以太網(wǎng)、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多種通信協(xié)議，借助物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)對上述多種通信協(xié)議的互換，同時(shí)還設(shè)計(jì)了同時(shí)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(yuǎn)程控制與智能控制基礎(chǔ)上，讓本系統(tǒng)應(yīng)用場景和方案更加廣泛[4]。

2? 硬件功能設(shè)計(jì)

本智能照明系統(tǒng)硬件控制器采用RL78/I1A系列單片機(jī)，各級控制器分別由智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊、現(xiàn)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(wǎng)關(guān)硬件模塊采用38引腳，現(xiàn)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(qiáng)上述三個(gè)不同級別智能控制器對本照明系統(tǒng)現(xiàn)場和遠(yuǎn)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(jī)來對各級控制器進(jìn)行集成，既縮短了系統(tǒng)硬件模塊開發(fā)時(shí)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(shí)現(xiàn)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(wǎng)關(guān)硬件模塊

智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊是現(xiàn)場ZigBee、以太網(wǎng)、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多種通信協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，可支持對上述協(xié)議的智能鑒別與轉(zhuǎn)換。其中，智能網(wǎng)關(guān)硬件中的主控芯片采用國產(chǎn)GM8125芯片，由于主控芯片外設(shè)資源較多，但該模塊只有三個(gè)串行口，為了豐富串口擴(kuò)展器，該芯片將主控制器三個(gè)串行口一擴(kuò)為五，共有15個(gè)串行口，而每個(gè)主控芯片均與GM8125一擴(kuò)五芯片相連，構(gòu)成不同的硬件協(xié)議棧，然后基于每個(gè)串行口端口地址來針對不同的硬件協(xié)議類型進(jìn)行有效識別，由此順利實(shí)現(xiàn)對對應(yīng)層中相關(guān)的軟件模塊控制程序數(shù)據(jù)進(jìn)行解析[6]。因本智能照明系統(tǒng)RL78/I1A單片機(jī)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(jī)的DALI硬件協(xié)議棧，而無須通過GM8125串口擴(kuò)展芯片。

2.2? 現(xiàn)場控制智能硬件

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能照明系統(tǒng)現(xiàn)場控制智能硬件主要負(fù)責(zé)的工作內(nèi)容是：

（1）采集信息感知層的相關(guān)信號;（2）按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)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(jìn)行遠(yuǎn)程和現(xiàn)場智能控制;（3）作為遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，對系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊上傳的控制命令信息進(jìn)行分析和存儲，從而實(shí)現(xiàn)對智能LED燈的調(diào)控。

在上述功能開發(fā)基礎(chǔ)上，本研究在硬件設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)還在現(xiàn)場控制智能硬件的信息感知層設(shè)計(jì)了異常報(bào)警功能模塊，當(dāng)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(shí)，系統(tǒng)的信息感知層通過收集異常故障信息，主動(dòng)發(fā)起通信，通過Wi-Fi即可實(shí)時(shí)給用戶或者安全操作員及時(shí)發(fā)送相關(guān)的故障信息及報(bào)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(xiàn)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(jìn)行預(yù)處理，并實(shí)時(shí)傳給現(xiàn)場控制智能硬件模塊，經(jīng)過對感知信息的進(jìn)一步處理與分析，實(shí)現(xiàn)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(shí)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(shù)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(jīng)過串口進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳送[7]。

3? 軟件控制流程設(shè)計(jì)

本智能系統(tǒng)軟件模塊分別與該系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層相對應(yīng)，由于本系統(tǒng)可同時(shí)支持ZigBee、以太網(wǎng)、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(shí)針對智能LED燈進(jìn)行亮度控制、顏色調(diào)節(jié)、延遲開關(guān)燈控制以及飽和度設(shè)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(yù)設(shè)不同的用戶情境模式，并支持遠(yuǎn)程訪問，可對智能LED燈組進(jìn)行分別控制，較好地覆蓋和滿足了現(xiàn)代人工智能照明領(lǐng)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(shí)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(shè)計(jì)任務(wù)之后，為了確保本智能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，本研究將對系統(tǒng)硬件部分及軟件部分分別進(jìn)行功能測試。本系統(tǒng)測試平臺包括示波器、PC、串口調(diào)試軟件、萬用表以及智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(diào)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(nèi)容。由于調(diào)光功能是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下智能照明系統(tǒng)基本功能的重要體現(xiàn)，所以本研究主要使用萬用表針對電位器兩側(cè)的電壓及燈組使能端電壓相關(guān)變化情況進(jìn)行測量，由此檢測和判斷RL78/I1A系列單片機(jī)PWM波的輸出情況。測試結(jié)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(diào)光測試結(jié)果符合系統(tǒng)燈控設(shè)計(jì)要求，如表1所示。

4.2? 軟件測試

硬件測試之后，搭建整機(jī)測試平臺，將無線調(diào)光系統(tǒng)操作軟件安裝于智能手機(jī)中，本研究選用的BLE Mesh模塊為鼎芯開發(fā)設(shè)計(jì)的DXW520，該模塊同時(shí)搭載了配套的Andird和IOS操作應(yīng)用軟件，所以用戶可接入私有云實(shí)現(xiàn)對智能照明系統(tǒng)進(jìn)行無線組網(wǎng)調(diào)節(jié)和控制。

以ISO系統(tǒng)為例，安裝相關(guān)版本應(yīng)用軟件，打開智能手機(jī)中的APP MeshLed-E，此時(shí)系統(tǒng)會自動(dòng)進(jìn)入BLE Mesh組網(wǎng)控制界面，只需等待設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)掃描和識別，即可登錄操作軟件。在軟件內(nèi)部，用戶可以根據(jù)自己需求設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)用狀態(tài)與控制情景，在燈具控制界面還可對燈具名稱進(jìn)行自由修改，也可設(shè)置鬧燈，設(shè)定燈具固定閃爍頻率。在調(diào)光界面，APP還可根據(jù)系統(tǒng)提前燒錄的固件信息來判斷燈具功能，然后進(jìn)行自定義設(shè)置，比如在2 200 K～5 500 K區(qū)間范圍內(nèi)自由設(shè)定燈光亮度，調(diào)節(jié)白光、彩色氛圍光等RGB三基色，也可實(shí)現(xiàn)延時(shí)開關(guān)燈與待機(jī)操作，在實(shí)際使用時(shí)，用戶也可根據(jù)自己的個(gè)性化需求，在場景設(shè)置中設(shè)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(yàn)。

5? 結(jié)? 論

本研究基于感知層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和綜合應(yīng)用層四層架構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)思想，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款集智能網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場控制智能硬件、信息采集模塊為一體的物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)。經(jīng)過對LED智能照明系統(tǒng)分別進(jìn)行電性能、電氣指標(biāo)、調(diào)光、待機(jī)功耗優(yōu)化及無線組網(wǎng)操作測試，結(jié)果表明，本系統(tǒng)在1%～100%的調(diào)光范圍內(nèi)，系統(tǒng)的待機(jī)功耗極低，電氣性能的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)秀，系統(tǒng)各軟硬件模塊的組網(wǎng)功能、調(diào)光線性度和兼容性參數(shù)均滿足實(shí)際應(yīng)用要求，本系統(tǒng)還可根據(jù)用戶需求進(jìn)行容量擴(kuò)展，更加節(jié)省硬件資源，便于后期升級維護(hù)，且基礎(chǔ)照明、物聯(lián)網(wǎng)通信以及服務(wù)控制等各項(xiàng)功能運(yùn)行可靠，滿足設(shè)計(jì)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(wǎng)。