一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能照明驅(qū)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(jīng)日益成熟，其體積小、耗能小、可控性強等特點，使得它在室內(nèi)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(zhì)生活的追求。特別是光健康方面的研究，也越來越受到室內(nèi)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(qū)動電源相結(jié)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(xiàn)了LED 的調(diào)光、調(diào)色等控制。而隨著物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)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(qū)動電源VAS 系列芯片為基礎，結(jié)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(diào)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(gòu)示意圖）：

圖1 照明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

第一部分是LED 驅(qū)動部分，由VAS1105 做LED 驅(qū)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(jié)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(chǎn)，驅(qū)動部分和單片機供電以及智能調(diào)光模塊控制，都是可全貼片生產(chǎn)，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(qū)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(qū)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部溫度降到130°C 時，芯片重新正常工作。

（3）調(diào)光應用，VAS1105 支持模擬調(diào)光、PWM 數(shù)字調(diào)光和可控硅調(diào)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(diào)光電壓較高時，可通過設置合適的電阻分壓來調(diào)光。應用原理圖如圖4 所示。

圖4 模擬調(diào)光應用圖

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

圖5 PWM 調(diào)光應用圖

（4）無頻閃應用VAS1105 可搭配VAS1101 實現(xiàn)無頻閃，并且在模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光、可控硅調(diào)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(diào)試分析

■2.1 VASP1105 輸出測試

經(jīng)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(diào)光、數(shù)字PWM 調(diào)光、可控硅調(diào)光LED 驅(qū)動方案。本設計采用數(shù)字PWM 調(diào)光方式，測試結(jié)果如圖7 所示，可以發(fā)現(xiàn)其調(diào)光曲線已經(jīng)非常接近線性曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精準的調(diào)光應用。而且使用可控硅調(diào)光時，VAS1105 內(nèi)置的調(diào)光電路在輸入電壓比較低時抽取額外的電流以保證調(diào)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(diào)光全過程無抖動，兼容性極佳。

圖7 測試結(jié)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(xiàn)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(jīng)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(jié)果，我們又采用高幀相機進行拍攝，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 頻閃測試對比圖（2）

測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)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(chǎn)的一款帶有自組網(wǎng)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(wǎng)絡穩(wěn)定，符合藍牙規(guī)范，可應用于無線傳感、控制及數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(jù)模塊的各管腳的功能，完成了ESP8266-01 模塊的電路結(jié)構(gòu)，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?？梢韵仍O置網(wǎng)絡參數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)紼SP8266，并通過無線網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)。接收的數(shù)據(jù)通過 ESP8266 通過網(wǎng)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(jié)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(jié)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(diào)試對比

在藍牙技術控制模式的調(diào)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(wǎng)并不是真正的MESH網(wǎng)絡，且在藍牙配對上有一定的先后順序。而Wi-Fi 的組網(wǎng)則更為簡單，且可以與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成更遠距離的控制，其在組網(wǎng)或一對多控制的情況下有較明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本設計結(jié)合近距離無線通信技術設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的LED 驅(qū)動電路，實現(xiàn)了無線控制和可調(diào)光技術。在驅(qū)動電路測試方面，測試結(jié)果表明，電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定的直流電源，且可以根據(jù)各種LED 照明系統(tǒng)進行輸出電路匹配設計，同時實現(xiàn)了較為精準的可調(diào)光技術可供照明系統(tǒng)進行調(diào)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(jié)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(diào)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(xiàn)WiFi 技術的優(yōu)勢更為明顯。