基于物聯(lián)網(wǎng)和軟件電源技術(shù)的照明控制系統(tǒng)

王 學(xué)

（深圳市鐳潤科技有限公司，廣東 深圳 518060）

0 引 言

隨著LED光源技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，將LED光源技術(shù)與智能傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及軟件電源技術(shù)結(jié)合，通過實時監(jiān)測環(huán)境智能分析工作場景，利用軟件調(diào)節(jié)光源亮度，可最大程度實現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能照明。

目前，基于物聯(lián)網(wǎng)的照明控制系統(tǒng)的設(shè)計路線主要是通過WiFi、ZigBee、LoRa以及NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)集中管理控制光源，對光源亮度級別控制和整體成本控制的關(guān)注相對較少[1]。使用成熟的無線傳輸芯片可顯著降低系統(tǒng)成本，并通過軟件電源技術(shù)靈活控制光源亮度，配合智能算法分析，可有效降低無用功耗，同時提高整個系統(tǒng)的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)方案組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

照明控制系統(tǒng)由智能燈具（燈具傳感器）、光源控制網(wǎng)關(guān)、光源控制智能云平臺以及客戶端控制界面4部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的主要工作流程分為3個過程。首先，燈具傳感器獲得燈具周圍的環(huán)境信息和環(huán)境改變量，通過2.4G慢跳頻組網(wǎng)技術(shù)傳輸給光源控制網(wǎng)關(guān)，由各個光源控制網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給云平臺處理。其次，云平臺實時檢測光源控制網(wǎng)關(guān)傳輸來的傳感器數(shù)據(jù)，通過模糊計算等智能決策，根據(jù)客戶設(shè)置的照明策略生成相應(yīng)的照明方式響應(yīng)過程。最后，云平臺通過以太網(wǎng)將照明響應(yīng)過程發(fā)送給各光源控制網(wǎng)關(guān)，光源控制網(wǎng)關(guān)通過2.4G慢跳頻組網(wǎng)傳輸給燈具傳感器，燈具傳感器根據(jù)命令實時調(diào)整燈具的開關(guān)和亮度[2]。

1.2 智能燈具（燈具傳感器）

智能燈具（燈具傳感器）集成了傳感器、通信模塊以及軟件電源功能的照明設(shè)備，可通過紅外線、超聲波以及光照傳感器采集當(dāng)前燈具所處位置的光照、行人及車輛信息，并通過通信模塊發(fā)送給光源控制網(wǎng)關(guān)，從而響應(yīng)智能云平臺發(fā)來的命令，控制光源的亮度和開關(guān)等。通信部分使用成熟的2.4G物聯(lián)網(wǎng)芯片，通過2.4G慢跳頻組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)自組網(wǎng)的雙向通信和廣播信息，實現(xiàn)信息在低碼率下的快速交互。軟件電源功能通過微處理器（MCU）調(diào)節(jié)LED電源的恒流和恒壓輸出，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)控制光源亮度，并靈活調(diào)整照明亮度，使光源控制智能云平臺的光源控制要求實現(xiàn)最優(yōu)化。

1.3 光源控制網(wǎng)關(guān)

光源控制網(wǎng)關(guān)可以控制燈具傳感器組網(wǎng)，將接收到的傳感器信息傳輸給光源控制智能云平臺，并將響應(yīng)過程廣播給燈具傳感器。

智能燈光控制網(wǎng)關(guān)選擇STM32F417作為主芯片。該芯片是最高運行頻率168 mHz的Arm Cortex-M4F 32-bit RISC芯片，具有以太網(wǎng)和SDIO等豐富的接口。該芯片上具有鑒權(quán)模塊、傳感器通信模塊、傳感器組網(wǎng)模塊、智能決策處理模塊、控制決策模塊、計費運營模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊以及云平臺接口等多個功能模塊。

智能燈光控制網(wǎng)關(guān)需要實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)控制、與傳感器網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交互、傳感器網(wǎng)絡(luò)和用戶的鑒權(quán)控制、對節(jié)電耗電的計費運營控制、數(shù)據(jù)智能決策處理、統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)以及云平臺接口通信等多項功能。

1.4 光源控制智能云平臺

光源控制智能云平臺是整個智能照明控制系統(tǒng)的控制中心，接收光源控制網(wǎng)關(guān)上傳的燈具傳感器的數(shù)據(jù)，通過傳感器狀態(tài)和客戶端設(shè)置的響應(yīng)策略，用人工智能的輔助手段計算響應(yīng)過程，然后通過控制網(wǎng)關(guān)將命令下發(fā)給燈具傳感器進(jìn)行處理。

因為每個智能燈光控制網(wǎng)關(guān)的計算能力有限，所以需要將數(shù)據(jù)通過云平臺接口傳輸給光源控制智能云平臺。云平臺獲得每個項目和客戶的數(shù)據(jù)后，通過模糊計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能決策技術(shù)，計算人體、車輛檢測的最佳閾值及燈光控制的最佳亮度等信息。根據(jù)計算的閾值，生成不同的控制策略。

1.5 客戶端

控制客戶端給出系統(tǒng)的控制接口，用戶可通過客戶端查看當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)、修改照明策略以及查看節(jié)能效果等?？稍谑┕るA段進(jìn)行布局設(shè)計和初始數(shù)據(jù)設(shè)置，在施工調(diào)試和使用過程中根據(jù)實際情況改變照明策略，監(jiān)控控制系統(tǒng)狀態(tài)，如當(dāng)前整體耗電情況、燈具的運行狀況以及是否有壞燈等。此外，還可以查看使用LED光源產(chǎn)生的計費情況。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 2.4G慢跳頻組網(wǎng)技術(shù)

系統(tǒng)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)通過2.4G FSK通信技術(shù)實現(xiàn)，技術(shù)簡單可靠且成本低廉。未應(yīng)用避免沖突的載波多路偵聽技術(shù)（CSMA-CA）時，需要解決同頻載波沖突問題。使用慢跳頻組網(wǎng)技術(shù)可以解決這個問題，可快捷有效地實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信。

應(yīng)用慢跳頻組網(wǎng)技術(shù)時，每個通信模塊都可以工作在半雙工模式下，既可以發(fā)射又可以接收，同時有88個頻點可以選擇。正常工作時，傳感器作為接收端使用，每5.28 ms切換1個接收頻點。當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，在F1、F2、F3上分別發(fā)送，每次發(fā)送3組，每組內(nèi)每個頻點發(fā)送3次，即F1F1F1F2F2F2F3F3F3、F1F1F1F2F2F2F3F3F3和 F1F1F1F2F2F2F3F3F3。每組數(shù)據(jù)發(fā)送耗時5.28 ms，發(fā)送完所有數(shù)據(jù)約需16 ms。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時序如圖2所示。

圖2 慢跳頻時序

圖2中，接收1恰好在合適時間接收到發(fā)送的所有頻點，理論上最多可以接收到9個有效數(shù)據(jù)。接收2～接收6分別描述在不同范圍內(nèi)的接收情況，理論上最多可以接收到8個數(shù)據(jù)。由于這8或9個數(shù)據(jù)的內(nèi)容完全一致，接收端僅需要判斷數(shù)據(jù)相同并處理一次即可。發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)中，字節(jié)Rf_Index是發(fā)送數(shù)據(jù)的序號，命令格式如圖3所示。

圖3 命令格式

2.2 軟件電源技術(shù)

軟件電源技術(shù)采用可以快速配置調(diào)整輸出電流值的軟件電源模塊，通過微處理器STM8S10X設(shè)置電源的輸出電流值，從而控制燈具的亮度。軟件電源原理如圖4所示。

圖4 軟件電源原理框圖

圖中①為處理器，通常為1個帶有AD/DA（或PWM輸出）功能的單片機(jī)。該處理器接收程序預(yù)先設(shè)定的電壓、電流以及外部數(shù)據(jù)接口發(fā)送來的電壓和電流，輸出用于控制電源輸出電壓的設(shè)定電壓Vset和用于控制電源輸出電流的設(shè)定電壓Iset。其中，Vset輸出給電壓反饋環(huán)路②，Iset輸出給電流反饋環(huán)路③。Vset和Iset均為特定電壓值，包含設(shè)定輸出電壓和輸出電流的信息。

電壓反饋環(huán)路②為一個閉環(huán)放大器，其輸入量為處理器的輸出電壓Vset和輸出的采樣電壓Vsense，輸出量為Vfb，與Ifb一起輸給開關(guān)電源控制電路⑤。電壓反饋回路的工作原理是比較Vset與Vsense，并輸出Vfb給開關(guān)電源控制電路⑤，改變開關(guān)電源輸出電壓，從而使Vsense與Vset達(dá)到預(yù)期的對應(yīng)關(guān)系。如果Vset與Vsense為1：10的關(guān)系，則當(dāng)Vset為1 V時，Vsense為10 V環(huán)路才能達(dá)到平衡。如果Vsense不滿足10 V的條件，該環(huán)路輸出的Vfb將作用在開關(guān)電源控制電路⑤上，使其調(diào)整輸出電壓，進(jìn)而使Vsense穩(wěn)定在10 V。通過該環(huán)路實現(xiàn)輸出電壓Vset和處理器設(shè)定電壓Vset變化的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)電源的輸出電壓通過處理器可控。

電流反饋環(huán)路③與電壓反饋環(huán)路②的工作原理一致，同樣為一個閉環(huán)放大器，輸入量為處理器輸出的Iset和輸出的采樣電流Isense，輸出量為Ifb，與Vfb一起輸出給開關(guān)電源控制電路⑤。電流反饋環(huán)路的工作原理是比較Iset與Isense的值，并輸出Ifb給開關(guān)電源控制電路⑤，改變開關(guān)電源輸出電流，從而使Isense與Iset達(dá)到預(yù)期的對應(yīng)關(guān)系。通過該環(huán)路可以實現(xiàn)輸出電流Iset和處理器的設(shè)定電壓Vset變化的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)電源的輸出電流通過處理器可控。

電壓控制環(huán)路②和電流控制環(huán)路③的輸出量Vfb和Ifb相加后輸出給開關(guān)電源控制電路⑤，用于控制電路的輸出PWM占空比和開關(guān)頻率，進(jìn)而驅(qū)動開關(guān)變換/整流濾波電路⑥，通過輸出檢測電路⑦輸出采樣電壓Vsense和采樣電流Isense，分別提供給電壓反饋環(huán)路②和電流反饋環(huán)路③。開關(guān)變換/整流電路⑥經(jīng)過輸出檢測電路⑦后形成電源輸出，用來給負(fù)載供電。

輸出檢測電路⑦輸出的Vsense和Isense也可以輸出給處理器①，用來監(jiān)測當(dāng)前電源的實際輸出電壓和實際輸出電流，判斷電源的工作狀態(tài)。輸出給處理器①的Vsense和Isense信號無需參與輸出電壓和輸出電流的閉環(huán)控制。

實際應(yīng)用中，電壓控制環(huán)路②和電流控制環(huán)路③中通常只有一個達(dá)到鎖定狀態(tài)。電壓控制環(huán)路②鎖定時，電源工作在恒壓輸出狀態(tài)；電流控制環(huán)路③鎖定時，電源工作在恒流輸出狀態(tài)。這兩種狀態(tài)可以根據(jù)負(fù)載的情況轉(zhuǎn)變。在恒壓狀態(tài)下，如果負(fù)載電流升高并達(dá)到輸出電流設(shè)定值，則轉(zhuǎn)為恒流輸出狀態(tài)；在恒流狀態(tài)下，如果輸出電壓升高并達(dá)到電壓設(shè)定值，則轉(zhuǎn)為恒壓工作狀態(tài)。

3 結(jié) 論

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對各組成部分進(jìn)行軟硬件開發(fā)和測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計可靠穩(wěn)定，組網(wǎng)方式靈活，使用方便，不僅能顯著提高控制系統(tǒng)對照明環(huán)境的適應(yīng)能力，還能提高照明控制系統(tǒng)的能效，降低系統(tǒng)的組網(wǎng)成本。