基于Android的智能可調(diào)光LED燈節(jié)能控制①

黃 帆 楊賢昭陳 洋

(武漢科技大學(xué)教育部冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)工程研究中心 武漢 430081)

?

基于Android的智能可調(diào)光LED燈節(jié)能控制①

黃 帆②楊賢昭③陳 洋

(武漢科技大學(xué)教育部冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)工程研究中心 武漢 430081)

針對(duì)家庭LED燈能源耗電問(wèn)題，提出了一種智能調(diào)光節(jié)能控制方法。該方法以安卓操作系統(tǒng)為平臺(tái)，智能手機(jī)作為客戶端，利用LM3409HV降壓自適應(yīng)反饋控制機(jī)制，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程可調(diào)光節(jié)能LED燈的低功率照明。該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能綠色可再生能源為智能電網(wǎng)供電，結(jié)合室外光強(qiáng)，通過(guò)光敏傳感器和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)LED燈亮度。在通用輸入電壓下，可實(shí)現(xiàn)高效率、高功率因數(shù)調(diào)光。與傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)LED照明電燈相比，智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件更為靈活和方便、成本更低、功耗更小，界面和功能都具有良好的通用性、準(zhǔn)確性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

Android， WiFi網(wǎng)絡(luò)， 脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光， 自適應(yīng)反饋控制， 智能電網(wǎng)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化應(yīng)用技術(shù)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用[1]。隨著新一代智能移動(dòng)終端的普及，基于安卓平臺(tái)的移動(dòng)式應(yīng)用系統(tǒng)在智能家居、公共事業(yè)設(shè)施等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[2]。目前在安卓平臺(tái)上控制智能家居已經(jīng)較為普遍，利用安卓系統(tǒng)進(jìn)行LED燈智能調(diào)光成為未來(lái)發(fā)展的方向。

現(xiàn)在無(wú)線技術(shù)被廣泛應(yīng)用到遠(yuǎn)程控制的智能LED 照明控制系統(tǒng)中，主流的無(wú)線傳輸技術(shù)主要有Zigbee、藍(lán)牙和WiFi等，其中Zigbee技術(shù)存在使用成本高、技術(shù)較復(fù)雜、開發(fā)難度大等缺點(diǎn)；藍(lán)牙傳輸距離只有10cm～10m，傳輸協(xié)議使用的是全球通用的2.4GHz ISM頻段，難免導(dǎo)致信號(hào)互相干擾的情況出現(xiàn)；WiFi技術(shù)具有速度快、可靠性高的特點(diǎn)，可以方便地組建網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離最遠(yuǎn)為300多米,因此對(duì)于普通的家庭照明控制來(lái)講是實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能照明系統(tǒng)的較好的解決方案，此外在布線方面利用WiFi無(wú)線方式組建網(wǎng)絡(luò)，可以避免復(fù)雜的布線及相關(guān)老化等問(wèn)題[3]。

WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了LED燈的遠(yuǎn)程控制，在發(fā)光二極管LED智能控制系統(tǒng)中，核心設(shè)備是智能控制終端。LED控制方式可分為普通按鈕控制、紅外線遙控器控制、觸摸屏版和LCD顯示器控制等[4，5]。這些控制方法復(fù)雜，致使控制器成本較高，只能進(jìn)行本地控制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，控制端不能移動(dòng)，使得控制方式不夠便利。本文提出了一種基于Android的智能LED燈可調(diào)光節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以手機(jī)作為用戶控制終端，可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)節(jié)，做到方便、快捷、觸手可及。該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能綠色能源為智能電網(wǎng)供電，結(jié)合室外光強(qiáng)，通過(guò)光敏傳感器和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)LED燈亮度，使調(diào)光晶體管的功率損耗最小化。所有發(fā)光二極管都安裝在散熱片上，以防止管內(nèi)溫度過(guò)高，確保LED燈持續(xù)良好使用。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能可調(diào)光LED照明系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分。第一部分是智能手機(jī)或者平板電腦Android客戶端，安裝控制程序以后，通過(guò)Android客戶端觸屏軟件界面與用戶進(jìn)行交互。第二部分是控制網(wǎng)關(guān)，安卓控制系統(tǒng)對(duì)智能可調(diào)光二極管照明燈的訪問(wèn)，可通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)WiFi控制；也可通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)公共場(chǎng)所WiFi接口直接控制，將手機(jī)或者平板的控制命令發(fā)送到可調(diào)光LED燈照明系統(tǒng)。與此同時(shí)，LED燈照明的狀態(tài)信息反饋到手機(jī)或平板上。用戶在Android客戶端進(jìn)行操作后，Android客戶端通過(guò)Socket與PC之間進(jìn)行通信[6]。操作指令通過(guò)Internet網(wǎng)發(fā)送到控制網(wǎng)關(guān)，控制網(wǎng)關(guān)接受指令后，將指令發(fā)送到照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)接受操作指令后，執(zhí)行相關(guān)功能，并將LED燈的狀態(tài)信息反饋到控制網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將信息轉(zhuǎn)發(fā)給智能手機(jī)或者平板。第三部分是在能源端，數(shù)字能源計(jì)量器將采集到的太陽(yáng)能通過(guò)能源轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)于太陽(yáng)能電池板中為系統(tǒng)供電，當(dāng)室外光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，可切換太陽(yáng)能電池板作為智能電網(wǎng)為用戶供電[7]。自適應(yīng)反饋控制的LED照明燈光強(qiáng)分為特亮、適中和溫和，用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)LED燈光照明，達(dá)到適宜的光照，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)室外光強(qiáng)不足時(shí)，可以切換市電直接利用220V交流電供電，其中電源切換、充電(蓄電池充電)放電(可調(diào)光LED節(jié)能燈驅(qū)動(dòng))管理模塊主要由微處理器最小系統(tǒng)與電源切換電路兩部分組成，是整個(gè)系統(tǒng)的控制處理中心，經(jīng)微控制器的算法與邏輯處理，控制開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中兩路電源之間的切換，智能可調(diào)光LED燈電源切換模塊主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。電源輸入模塊包括太陽(yáng)能光伏、AC-DC兩路電源輸入，其中太陽(yáng)能電池陣列是由多個(gè)單塊太陽(yáng)能電池板以串聯(lián)或并聯(lián)及其組合方式連接，以便達(dá)到系統(tǒng)要求的電壓等級(jí)和提供足夠大的電流；AC-DC電源通過(guò)對(duì)工頻交流電進(jìn)行降壓整流濾波等操作，將其轉(zhuǎn)換為合適的直流電源，并提供系統(tǒng)要求的電壓等級(jí)和足夠大的電流。太陽(yáng)能電池陣列、AC-DC電源這二者都能輸出直流電能到蓄電池[8]。此外，當(dāng)太陽(yáng)能儲(chǔ)備足夠的電能時(shí)，可輸送給電網(wǎng)儲(chǔ)存，以達(dá)到實(shí)時(shí)節(jié)能效果。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 智能可調(diào)光LED燈電源切換模塊主電路結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)照明系統(tǒng)硬件主要由以下4部分組成：基于LM3409HV降壓自適應(yīng)恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器，光敏傳感器，無(wú)線收發(fā)器和Android智能手機(jī)或平板作為控制器，以實(shí)現(xiàn)LED燈PWM調(diào)光。照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

從安卓客戶端發(fā)送的控制信號(hào)，由無(wú)線收發(fā)器接受并發(fā)送給單片機(jī)(通過(guò)串口)進(jìn)行解碼，并由微控制器產(chǎn)生脈寬控制調(diào)光信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的亮度。

2.1 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

一般情況下，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)程序分為2類，一類是恒壓驅(qū)動(dòng)，另一類是恒流驅(qū)動(dòng)。恒壓恒流LED驅(qū)動(dòng)采用I-V特性，經(jīng)調(diào)整才能產(chǎn)生預(yù)期的正向電流電壓，一個(gè)帶負(fù)載串聯(lián)電阻的整流電壓源是最簡(jiǎn)單的恒壓驅(qū)動(dòng)程序[9]。整流電阻電壓源如圖4所示。

圖4 整流電阻電壓源

這類驅(qū)動(dòng)有兩點(diǎn)缺陷：正向?qū)妷簩?dǎo)致電流變化，正向電壓降低，增加操作時(shí)間；長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)隨著環(huán)境溫度變化，增加功耗。對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)感應(yīng)電流的變化結(jié)合反饋機(jī)制補(bǔ)償正向電流的變化，提供穩(wěn)定的電流驅(qū)動(dòng)控制電路，減少了操作時(shí)間，降低了功率損耗。

2.2 驅(qū)動(dòng)器調(diào)光模式選擇

對(duì)于LED 調(diào)光來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是起到節(jié)能的效果,目前較為常用的方式主要有脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光、可控硅調(diào)光及模擬調(diào)光，這三種方法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程及可靠性有所區(qū)別。

(1) 模擬調(diào)光

模擬調(diào)光實(shí)現(xiàn)的機(jī)制是通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)LED電流大小來(lái)改變燈的亮度。模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是：會(huì)影響到LED光源的顯色指數(shù)及色溫。由于模擬調(diào)光采用的是電阻分壓的原理，在此過(guò)程中會(huì)有相當(dāng)一部分電量將以熱能的形式被耗散掉，從而導(dǎo)致電源驅(qū)動(dòng)的效率降低[10]。

(2) 可控硅調(diào)光

可控硅調(diào)光技術(shù)作用于LED燈調(diào)光時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，根本原因在于雙向可控硅在正常工作過(guò)程中需要一個(gè)最低的門觸發(fā)電流[11]。當(dāng)LED的調(diào)光值很小時(shí)，電路回路中的電流將會(huì)低于可控硅的門觸發(fā)電流，因而導(dǎo)致可控硅不能正常工作。隨著負(fù)載LED燈功率的增大，可控硅需要的電流也會(huì)隨之增大，如果該最小電流不能夠得到穩(wěn)定的供給，那么可控硅的導(dǎo)通角將會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，輸出電流也會(huì)變得不穩(wěn)定，最終將導(dǎo)致LED燈出現(xiàn)閃頻現(xiàn)象。

(3) PWM調(diào)光

PWM調(diào)光的原理是通過(guò)外接PWM調(diào)光信號(hào)作用于電源驅(qū)動(dòng)的DIM引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的控制，當(dāng)LED燈負(fù)載的平均電流值發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)使其呈現(xiàn)出不同的亮度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)光的效果。PWM調(diào)光由于其負(fù)載電流只有滿載、空載兩種工作狀態(tài)，所以不會(huì)對(duì)LED的色溫、色偏等性能造成干擾，因此，采用脈寬調(diào)制調(diào)光方式能夠保證電源有較高的輸出效率[12]。通過(guò)無(wú)線的方式直接對(duì)單片機(jī)輸出的PWM調(diào)光信號(hào)進(jìn)行控制，達(dá)到智能化調(diào)光的目的，該方式多用于智能家居系統(tǒng)的建設(shè)中。

本系統(tǒng)的開關(guān)電源采用的是高開關(guān)頻率穩(wěn)定輸出電流的驅(qū)動(dòng)開關(guān)設(shè)備，如雙極晶體管和MOSFET。LM3409HV buck型降壓轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)特的非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供了精確的電流控制、寬輸入范圍。LM3409HV降壓轉(zhuǎn)換器的芯片尺寸小，采用低功耗停機(jī)、快速輸出啟用/禁止功能和穩(wěn)定的電流控制[13]。控制器使用關(guān)斷時(shí)間架構(gòu)和峰值電流控制LED燈，峰值電流檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)電阻的差動(dòng)電壓信號(hào)，電壓信號(hào)與電流感應(yīng)閾值相比，電壓信號(hào)超過(guò)電流信號(hào)時(shí)，感應(yīng)電流峰值和Q1關(guān)閉恒定周期。通過(guò)改變開關(guān)頻率與固定關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)整占空比，Q1的恒定關(guān)斷時(shí)間是由外部電阻(Roff)和電容器(Coff)決定的。在充電電壓為零的關(guān)斷時(shí)間時(shí)，一旦Coff電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，Q1打開。PWM調(diào)光信號(hào)作用于EN引腳，當(dāng)邏輯電壓低于0.5V時(shí)，內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序被禁用，關(guān)閉LED串電流。VCC穩(wěn)壓器保持活躍時(shí)，邏輯高電平(1.74V以上)激活EN引腳，導(dǎo)通LED串電流。PWM頻率至少應(yīng)該為一階以下的開關(guān)頻率，避免120Hz以上的閃爍效果。LM3409HV降壓器如圖5所示[14]。

圖5 LM3409HV降壓控制器

3 Android客戶端軟件設(shè)計(jì)

Android是基于Linux2.6 系統(tǒng)為核心的開源手機(jī)操作系統(tǒng)，允許第三方軟件自由加入，有利于開發(fā)人員理解平臺(tái)框架，降低移動(dòng)終端設(shè)備價(jià)格，同時(shí)也便于軟件的開發(fā)、升級(jí)和維護(hù)[15，16]。Android應(yīng)用程序是Java語(yǔ)言基于XML布局在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境(IDE)與開發(fā)工具ADT插件下開發(fā)的，其客戶端系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括用戶界面UI、Socket通信、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)等。安卓應(yīng)用程序由多個(gè)組件構(gòu)成，每個(gè)組件在整個(gè)應(yīng)用程序中可以實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)，而單個(gè)組件可被單獨(dú)激活，也可由其他應(yīng)用程序激活。通過(guò)客戶端打開智能節(jié)能燈APP，同時(shí)通過(guò)Socket通信發(fā)送給WiFi接收模塊，WiFi接收模塊接收客戶端Socket通信傳遞的數(shù)據(jù)，然后分析數(shù)據(jù)并向端口發(fā)送指令改變相應(yīng)端口電位，對(duì)LED燈實(shí)施智能可調(diào)光控制。

3.1 Android客戶端用戶界面

用戶通過(guò)安卓終端查看連接在住宅內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的LED燈并進(jìn)行遠(yuǎn)程操作?？烧{(diào)光LED燈房間主界面展現(xiàn)了當(dāng)前各個(gè)房間電燈布局信息，用戶通過(guò)操作相應(yīng)的控件執(zhí)行LED燈控制指令?？烧{(diào)光LED燈房間主界面如圖6所示，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)家庭各房間可調(diào)光節(jié)能燈實(shí)施智能控制，點(diǎn)擊勾選需要智能調(diào)光的燈布局下拉菜單，可進(jìn)入相應(yīng)的房間進(jìn)行下一步操作。此外，用戶可以選擇切換太陽(yáng)能供電選項(xiàng)進(jìn)入太陽(yáng)能供電模式，也可全選所有房間實(shí)施一鍵關(guān)閉，快速關(guān)閉所有房間的LED燈。點(diǎn)擊“取消”按鈕可取消選擇，繼續(xù)點(diǎn)擊“取消”按鈕，可退出應(yīng)用程序。

圖6 可調(diào)光LED燈房間主界面

例如用戶勾選餐廳選項(xiàng)欄，進(jìn)入如圖7所示的可調(diào)光 LED燈設(shè)置界面，用戶可結(jié)合當(dāng)天室外光強(qiáng)，根據(jù)需要選擇合適的照明，有特亮、適中、溫和三種模式手動(dòng)滑動(dòng)選擇，也可對(duì)智能節(jié)能燈設(shè)置定時(shí)打開、定時(shí)關(guān)閉等操作；點(diǎn)擊用電詳情按鈕，可進(jìn)一步查看相應(yīng)房間的用電詳情；點(diǎn)擊燈管理按鈕，可對(duì)節(jié)能燈進(jìn)行相應(yīng)智能化管理，實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能。

圖7 可調(diào)光LED燈設(shè)置界面

相應(yīng)房間的用電詳情如圖8所示，界面顯示當(dāng)前房間本月已使用的總電量其中包括電網(wǎng)供電量和太陽(yáng)能供電量以及智能調(diào)光燈節(jié)約電量的情況。使用戶可以清楚了解該房間的用電情況，及時(shí)調(diào)節(jié)光強(qiáng)，節(jié)約用電。

圖8 房間用電詳情

點(diǎn)擊“燈管理”按鈕進(jìn)入如圖9所示界面，用戶可根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)房間的可調(diào)光LED燈進(jìn)行燈管理操作，界面顯示當(dāng)前房間燈名稱，可對(duì)該房間增加燈設(shè)備、刪除燈設(shè)備、修改燈密碼等智能化操作，對(duì)燈設(shè)備的管理進(jìn)行加密設(shè)置，防止操作失誤，方便用戶對(duì)該房間可調(diào)光LED燈智能化管理。

圖9 可調(diào)光LED燈燈管理

3.2 基于Socket通信

在網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)方面，客戶端發(fā)送的指令由按鈕事件發(fā)送，Internet服務(wù)器端使用Node.js編程，該部分是整個(gè)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是連接中央處理器程序Android控制單元的橋梁。Android客戶端使用TcpSocketServer與中央處理器程序進(jìn)行通信，使用HttpServer與Android控制單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)交互。Android提供Socket類和ServerSocket類解決了TCP傳輸問(wèn)題，智能可調(diào)光節(jié)能燈系統(tǒng)采用的是客戶端按鈕發(fā)送d.write()指令操作信號(hào)，服務(wù)器通過(guò)recv()收到控制命令。圖10為客戶端與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)流程圖，為了將指令從客戶端發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器創(chuàng)建Socket()，然后等待信號(hào)形成發(fā)送到客戶端。客戶端創(chuàng)建Socket()采用dataOutputStream()、d.write()向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，然后服務(wù)器采用send()發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端采用bufferedInputStream()接收緩存輸入數(shù)據(jù)。

圖10 客戶端與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)流程圖

圖11 WiFi模塊的主要代碼

每個(gè)房間都是由無(wú)線模塊、傳感器模塊、外圍設(shè)備構(gòu)成[17]。其中WiFi模塊的主要程序代碼如圖11所示。

在Android中，按鈕事件主要是通過(guò)調(diào)用setContentView()激活和按鈕ItemButton配置的main.xml布局文件，按鈕事件的傳遞函數(shù)表示如圖12所示。

圖12 按鈕事件的傳遞函數(shù)

3.3 SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)

由于智能電燈存儲(chǔ)信息量較小，故無(wú)需較大的數(shù)據(jù)庫(kù)，本應(yīng)用程序使用了Android平臺(tái)內(nèi)置的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。SQLite是一個(gè)輕量級(jí)的、嵌入式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，它遵循ACID的關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是主要針對(duì)嵌入式設(shè)備專門設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)減少了應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)的開銷，它移植性好、很容易使用，高效而且可靠性高。

Android提供了SQLiteDatabase和SQLiteOpenHelper兩個(gè)類，處理SQLite操作。SQLiteOpenHelper類提供onCreate()和onUpgrade()兩種函數(shù)對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行創(chuàng)建和更新，提供getWritableDatabase()或getReadableDatabase()方法來(lái)獲得數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象。SQLiteDatabase類提供一些方法，可以創(chuàng)建、刪除、查詢、事物監(jiān)控等。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)如下信息：各個(gè)房間名稱，各個(gè)LED類型，各個(gè)LED設(shè)備的信息狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈比較

將編寫好的APP應(yīng)用軟件在小米4、小米2s、華為榮耀7等手機(jī)上成功安裝后，移動(dòng)至不同遠(yuǎn)近距離連接WiFi，運(yùn)行軟件。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可調(diào)光LED燈和白熾燈、普通節(jié)能燈和普通LED燈用電功率效率，繪制了如圖13所示的不同功率的可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈效率對(duì)比圖。

圖13 不同功率下可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈效率對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在通用電壓220V供電時(shí)，采用PWM自適應(yīng)反饋控制調(diào)光方法，與普通LED燈、普通節(jié)能燈和白熾燈相比，可分別獲得超過(guò)3%、17%和30%的功效改進(jìn)。

將同一功率的可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈在不同照射角度下，繪制了如圖14所示的可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈光強(qiáng)與角度的變化。由圖可知，照明有效角度為60°～90°，在相同角度下可調(diào)光LED燈的光強(qiáng)明顯高于其他照明系統(tǒng)燈光強(qiáng)。

將同一功率的可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈在正向?qū)娏飨?，可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈光通量隨電流的變化如圖15所示。顯然，可調(diào)光LED燈的光通量隨電流的變化明顯高于其他照明系統(tǒng)。

圖14 可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈光強(qiáng)與角度的變化

圖15 可調(diào)光LED燈與其他照明系統(tǒng)燈光通量隨電流的變化

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低功率調(diào)光操作下本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LED燈提高了節(jié)能效率，降低了功耗。

4.2 調(diào)試中的問(wèn)題及解決方案

(1)提高通信過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性以及故障反饋和監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)

解決方案：控制過(guò)程中通信信道安全性較弱，需要引入一系列加密算法提升通信過(guò)程的安全性，同時(shí)引入CRC 校驗(yàn)等手段保證通信數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)確可靠，防止誤動(dòng)作的發(fā)生。同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障反饋功能。

(2)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

解決方案：可以采用多次校驗(yàn)的方法，除了通常的校驗(yàn)外，可采取其它的邏輯運(yùn)算或編碼，如奇偶檢驗(yàn)或其它邏輯運(yùn)算校驗(yàn)等。此外數(shù)據(jù)通信過(guò)程中的誤碼不可絕對(duì)避免，必要時(shí)，對(duì)一些重要的數(shù)據(jù)信息需采用數(shù)字濾波方法，可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)通信的可靠程度[18]。

(3)通信過(guò)程中的錯(cuò)誤處理

解決方案：編寫有關(guān)數(shù)據(jù)通信的程序時(shí)，對(duì)通信中可能出現(xiàn)的每一種狀態(tài)都應(yīng)有相應(yīng)的處理，避免程序出現(xiàn)異?；蚴Э兀鐚?duì)通信過(guò)程中的超時(shí)錯(cuò)誤，需根據(jù)錯(cuò)誤碼，跳出對(duì)通信接口的狀態(tài)查詢，防止陷入死循環(huán)，然后給出錯(cuò)誤信息和處理提示。

(4)防止接收和發(fā)送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)

解決方案：通信程序往往要對(duì)通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保護(hù)好通信緩沖區(qū)，以有效防止接收和發(fā)送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。如對(duì)通信緩沖區(qū)的初始化處理以及接收和發(fā)送完畢后的清零等。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前家庭節(jié)能燈耗電問(wèn)題，提出了一種智能可調(diào)光LED燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種新穎的控制方式，即Android智能手機(jī)軟件控制+網(wǎng)關(guān)控制+綠色太陽(yáng)能電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了通用電壓下低功率調(diào)光節(jié)能照明。該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能綠色可再生能源為智能電網(wǎng)供電，結(jié)合室外光強(qiáng)，通過(guò)光敏傳感器和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)調(diào)節(jié)LED燈亮度。與當(dāng)前其他的控制方式相比優(yōu)勢(shì)明顯，軟件具有通用性、易于移植、市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值高，硬件簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠，成本低，有較好的擴(kuò)展性。與當(dāng)前其他的調(diào)光系統(tǒng)相比，光強(qiáng)、光效、光通量有明顯的提升，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提高了可調(diào)光照明應(yīng)用的節(jié)能效率。

智能可調(diào)光LED燈系統(tǒng)提供了使用可再生能源的有效辦法，在更大范圍上實(shí)現(xiàn)了綠色能源概念。本文系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)，目前處于試用階段，也存在一些不足，如太陽(yáng)能供電模塊性能還有待優(yōu)化，通信過(guò)程中的安全性有待提升。今后考慮與現(xiàn)有的電網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可將LED燈節(jié)能技術(shù)推向一個(gè)新的高度。

[ 1] Martins J F, Oliveira-Lima J A, Delgado-Gomes V, et al. Smart homes and smart buildings. In：Proceedings of the 13th Biennial Baltic Electronics Conference (BEC), Tallinn, Estonia, 2012. 27-38

[ 2] 趙哲, 宋俊德, 鄂海紅. 基于Android平臺(tái)的移動(dòng)應(yīng)用構(gòu)建研究與設(shè)計(jì). 新型工業(yè)化, 2013, 3(6): 78-89

[ 3] 魏有法. 基于Android的LED燈光控制器的研究與設(shè)計(jì)：[碩士學(xué)位論文]. 福建：華僑大學(xué)電子與通信工程學(xué)院，2015. 11-12

[ 4] 田正濤. 家庭智能控制終端產(chǎn)品開發(fā)研究：[碩士學(xué)位論文]. 青島：山東科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院， 2011. 32-35

[ 5] 林少丹. 實(shí)戰(zhàn)移動(dòng)終端應(yīng)用開發(fā)技術(shù)——Android實(shí)戰(zhàn). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2013. 1-176

[ 6] 胡晶晶. 基于Java socket 的聊天室系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 微處理機(jī), 2010,19(5): 66-67

[ 7] Bui N, Castellani A P, Casari P, et al. The internet of energy: a web-enabled smart grid system.NetworkIEEE, 2012, 26(4): 39-45

[ 8] 王文海. 太陽(yáng)能LED路燈控制器的研究與設(shè)計(jì)：[碩士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2011. 29-30

[ 9] Teng K H, Lam Z Y, Wong S K. Dimmable WiFi-connected LED driver with Android based remote control. In：Proceedings of the 2013 IEEE Symposium on Wireless Technology and Applications (ISWTA), Kuching, Malaysia, 2013. 306-309

[10] 孔文. LED調(diào)光設(shè)計(jì)思考:可控硅vs PWM. 集成電路應(yīng)用, 2010, 11(4): 24-27

[11] 路秋生. LED 調(diào)光的實(shí)現(xiàn)與有關(guān)問(wèn)題. 電子質(zhì)量, 2011, 7(3): 35-38

[12] 程安寧, 王晉, 尚相榮. 白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析. 電子設(shè)計(jì)工程, 2010, 9(2): 109-111

[13] 李慧, 吳建德, 鄧焰. 基于LM3409HV的LED無(wú)線控制調(diào)光技術(shù). 見: 第七屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體論壇, 浙江大學(xué), 杭州， 中國(guó)， 2010. 263-266

[14] Texas Instruments Incorporated, LM3409/LM3409N/LM3409HV/LM3409Q/LM3409QHV PFET Buck Controller for High Power LED DriVers,SNVS6021Datasheet, 2008, 12(7):46-48

[15] 實(shí)戰(zhàn)Android應(yīng)用開發(fā). 北京:清華大學(xué)出版社, 2012. 7-9

[16] 徐兵, 廖友成, 劉文杰. 基于Android平臺(tái)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)研究. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(2): 601-602

[17] 姜永增, 董晶, 宋廣軍等. 物聯(lián)網(wǎng)智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì). 制造業(yè)自動(dòng)化, 2011, 12(33):187-189

[18] 黃杰, 晏世雄. 提高數(shù)據(jù)通信質(zhì)量應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題. 2004, 21(6): 40-42

Energy saving control of intelligent adjustable light LED lamps based on Android

Huang Fan, Yang Xianzhao, Chen Yang

(Engineering Research Center for Metallurgical Automation and Detecting Technology of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081

In order to solve the problem of energy consumption of household LED lamps, an energy-saving control method using an intelligent dimmer is proposed. The method takes the Android operating system as a platform, an intelligent mobile phone as a client, and uses the Buck LM3409HV adaptive feedback control mechanism to realize the remote wireless adjustable light energy-saving of LED lights, and low power lighting control through a WiFi network. The system constructed with the method uses the renewable green solar energy to supply smart grids, and adjusts the brightness of LED lights through the photosensitive sensor and pulse width modulation (PWM) technology and the combination of the outdoor light intensity. Running in the universal input voltage, the system can achieve the high efficiency, high power factor dimming. Compared with traditional mechanical switch LED lighting lamps, this intelligent dimming system’s design of hardware and software is more flexible and convenient, with the lower cost, less power consumption, as well as the general, accurate interface and functions. It has the wide application prospect.

Android, WiFi network, pulse width modulation (PWM) dimming, adaptive feedback control, smart grid

①國(guó)家自然科學(xué)基金(61203331， 61573263)，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLSE2014-10-09)和教育部冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)工程研究中心開放課題(MADT201602)資助項(xiàng)目。

②男，1992年生，碩士生；研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及Android智能家居；E-mail: 1157715811@qq.com

③通訊作者，E-mail: yangxianzhao@wust.edu.cn

2016-04-22)