智慧庭院照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐錦麗，常海青*，梅華強，程雅麗，王驕舞

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門冠宇科技股份有限公司，福建 廈門 361028)

2017年至今，國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步擴大和升級信息消費 持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見》和《中共中央國務(wù)院關(guān)于完善促進(jìn)消費體制機制，進(jìn)一步激發(fā)居民消費潛力的若干意見》中明確指出，國家要重點發(fā)展適合并適應(yīng)消費高速升級的智慧家庭產(chǎn)品及可穿戴設(shè)備等新型信息產(chǎn)品[1-2]。隨著改革開放及人民生活水平的提高，我國庭院經(jīng)濟及城市社區(qū)公園蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，我國家庭總戶數(shù)達(dá)4.9億戶[3]，且數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長趨勢。因此，對庭院及城市社區(qū)公園的建設(shè)進(jìn)行研究十分必要，而庭院照明作為其重要一環(huán)，成為行業(yè)研究熱點。針對照明系統(tǒng)在各場景中的應(yīng)用，研究者均做出了不同程度的貢獻(xiàn)[4-9]，但這些應(yīng)用設(shè)計主要針對智能照明的控制方式、節(jié)點部署或者綠色照明等進(jìn)行了局部研究設(shè)計，對家庭照明結(jié)合智慧控制、可再生光伏能源、調(diào)光調(diào)色、云平臺設(shè)備物模型管理等系統(tǒng)整體搭建設(shè)計未作具體描述，且并未涉及應(yīng)用于智慧庭院場景的照明研究及設(shè)計。針對當(dāng)前庭院照明設(shè)備可控性差、交互方式單一、用途單一、無法提供優(yōu)越的用戶體驗等缺陷[10-11]，本文利用物聯(lián)網(wǎng)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、云平臺管理等技術(shù)設(shè)計一種智慧庭院照明系統(tǒng)，實現(xiàn)以庭院為應(yīng)用場景的智慧照明。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)主要由智慧照明設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、手機應(yīng)用程序(APP)3部分組成。按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)劃分，智慧照明設(shè)備屬于感知層，物聯(lián)網(wǎng)云平臺和家庭網(wǎng)關(guān)屬于網(wǎng)絡(luò)層，手機APP屬于應(yīng)用層。系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能及指標(biāo)為：1)實現(xiàn)太陽能電池板充當(dāng)光敏傳感器應(yīng)用外，還作為發(fā)電模組為系統(tǒng)進(jìn)行電能供給；2)根據(jù)設(shè)定程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行處理，依據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號至白光和RGB LED驅(qū)動模塊，保證照明設(shè)備自動開關(guān)與調(diào)整工作方式；3)實現(xiàn)無線通信模塊通過UART串口上傳設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)至物聯(lián)網(wǎng)云平臺；4)實現(xiàn)用戶端通過手機APP查閱設(shè)備信息和發(fā)送相應(yīng)控制命令或者通過紅外遙控器進(jìn)行本地近距離控制照明設(shè)備；5)LED亮度切換時間控制在人眼感受不到頻閃范圍內(nèi)，即10 ms內(nèi)。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、PWM調(diào)光、云平臺管理等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)以庭院為應(yīng)用場景的智慧照明。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合計算機技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、無線射頻識別(RFID)技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)人與物、物與物的“交流”[12]。系統(tǒng)要實現(xiàn)智慧照明設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳與接收用戶APP指令，需要多種物聯(lián)網(wǎng)通信方式的支撐?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)頻段、組網(wǎng)方式、傳輸距離、成本、網(wǎng)絡(luò)部署方式、實際需求等因素，系統(tǒng)選用Wi-Fi和預(yù)設(shè)5 G通訊模組接口作為無線通信模塊入網(wǎng)方式。PWM調(diào)光技術(shù)將數(shù)字控制和模擬控制相結(jié)合，通過快速調(diào)整脈沖寬度實現(xiàn)調(diào)光[13]。與模擬調(diào)光相比，PWM調(diào)光不僅調(diào)光快速靈活，不會產(chǎn)生色譜偏移，而且更加節(jié)能。云平臺管理技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)與計算機技術(shù)相結(jié)合的新型技術(shù)，云平臺具備海量程序和數(shù)據(jù)庫用于用戶數(shù)據(jù)的管理。云平臺管理技術(shù)的使用，一方面可以使終端用戶的程序及硬件成本大幅降低，另一方面，能夠確保用戶的數(shù)據(jù)分析和處理需求[14]。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智慧庭院照明系統(tǒng)硬件設(shè)計包含多個模塊，本文主要從主控芯片選型，電源模塊設(shè)計、無線通信模塊設(shè)計和LED驅(qū)動4個模塊展開設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖Fig.2 Block diagram of system hardware design

2.1 主控芯片選型

為滿足智慧庭院照明系統(tǒng)的應(yīng)用要求，選擇主控芯片時要求功耗低、接口豐富、高靈敏度、抗干擾能力強、開發(fā)成本低。因此，選用高性能、低成本的SC92F8363芯片作為本系統(tǒng)主控芯片。該芯片引腳數(shù)有28個，具有8 KB Flash ROM，最高工作頻率為24 MHz，支持低功耗模式，單觸控按鍵喚醒時芯片整體功耗可低至11 μA。

2.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊采用太陽能電池與蓄電池結(jié)合的方式進(jìn)行電能供給。電源模塊電路設(shè)計如圖3所示。圖3中，S+和S-分別代表太陽能電池板正負(fù)極，B+和B-分別代表蓄電池正負(fù)極，系統(tǒng)通過把2個p溝道場效應(yīng)管SI4435反向串聯(lián)，解決蓄電池過充的問題，當(dāng)系統(tǒng)檢測到蓄電池已處于飽和狀態(tài)，太陽能板即作為負(fù)載放出多余電量；此外蓄電池輸出端通過外接ME6211C33穩(wěn)壓模塊為系統(tǒng)提供3.3 V穩(wěn)定電壓。太陽能電池板除作為發(fā)電模組外，還充當(dāng)光敏傳感器，主控芯片通過AD CHG VOL接口讀取當(dāng)前太陽能電池電壓值進(jìn)而判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)開燈條件。經(jīng)測試，當(dāng)太陽能電池板電壓低于0.5 V時，即表明當(dāng)前環(huán)境較暗，需要開燈。

圖3 電源模塊電路設(shè)計Fig.3 Circuit design of power module

2.3 無線通信模塊設(shè)計

選用EMW3060B嵌入式無線Wi-Fi模組作為系統(tǒng)無線通信模塊。該模塊具備配網(wǎng)簡單、云固件齊全、板載天線、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議庫豐富、性價比高等優(yōu)勢，模塊電路設(shè)計如圖4所示。該模塊包含25個引腳(PIN)，當(dāng)燒錄固件包時，使用PIN3/4/18作為燒錄接口。模塊采用UART通信協(xié)議與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PIN9/10分別作為數(shù)據(jù)發(fā)送/接收端，PIN11為使能端，當(dāng)復(fù)位時表現(xiàn)為低電平有效，PIN16為電源接入端，需使用3.3 V單電源供電，PIN17為接地端。該模塊通過家庭網(wǎng)關(guān)(即家庭路由器)加入網(wǎng)絡(luò)，繼而作為消息隊列遙測傳輸(MQTT)客戶端與物聯(lián)網(wǎng)云平臺MQTT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；模塊實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信和云服務(wù)的接入功能需借助設(shè)備模組內(nèi)固化的AT指令，需要注意模組內(nèi)需燒錄最新版本AT指令固件方可正常使用AT指令；通過向模組發(fā)送AT+ILOPSET和物聯(lián)網(wǎng)云平臺所生成設(shè)備證書信息(AT+ILOPSET=〈product_key〉,〈device_name〉,〈device_secret〉,〈product_secret〉)指令，之后再向模組發(fā)送AT+ILOPAWSSTART指令即可激活設(shè)備進(jìn)而實現(xiàn)awss路由一鍵配網(wǎng)。

圖4 無線通信模塊電路設(shè)計Fig.4 Circuit design of wireless communication module

2.4 LED驅(qū)動模塊設(shè)計

為滿足系統(tǒng)功能需求，分別設(shè)計白光LED驅(qū)動電路和RGB LED驅(qū)動電路，驅(qū)動電路如圖5所示。由于LED驅(qū)動要求恒流驅(qū)動且能快速切換照明亮度，因此使用金屬半場效晶體管(MOS管)作為開關(guān)元件。實施方式為：在每個LED負(fù)載端均接入一個N型AO3400場效應(yīng)管(當(dāng)MOS管柵極源極之間電壓VGS大于導(dǎo)通電壓時，即可導(dǎo)通)；LED陽極使用恒流源供電；MOS管柵極接入可以提供PWM脈沖的I/O接口，從而實現(xiàn)調(diào)光；此外，MOS管還具備開關(guān)速度快、損耗小、發(fā)熱量小的優(yōu)勢，更加方便系統(tǒng)通過PWM調(diào)制技術(shù)對LED的快速驅(qū)動。PWM調(diào)光原理是通過調(diào)整占空比的大小，控制LED接入電壓信號時間的長短，進(jìn)而調(diào)整照明亮度和切換照明色彩[15]。

圖5 LED驅(qū)動電路Fig.5 LED drive circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智慧庭院照明系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括3部分，分別是智慧照明主程序設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計和EMW3060B模組配網(wǎng)設(shè)計。系統(tǒng)中使用太陽能電池板作為光感器件，太陽能電池板隨著光輻照度的變化，電壓短時間內(nèi)會發(fā)生驟變[16]。根據(jù)研究可知，當(dāng)光照度低于25 lx時，當(dāng)前環(huán)境較暗，需要開燈，當(dāng)光照強度高于25 lx時，則表明需要關(guān)燈[17]。對緯度24.29°，經(jīng)度118.10°地域環(huán)境測試得出4.2 V太陽能電池板在光照度低于25 lx時，其電壓短時間會降至0.4 V左右，在光照度高于25 lx時，其電壓短時間會升至4.2 V，因此，系統(tǒng)通過檢測太陽能板電壓是否低于0.5 V，進(jìn)而控制照明設(shè)備的自動開啟與關(guān)閉。

3.1 智慧照明主程序設(shè)計

本系統(tǒng)智慧照明主程序設(shè)計主要為實現(xiàn)其智慧照明功能，實現(xiàn)其功能主要分5步：1)設(shè)備上電程序初始化；2)檢測太陽能板電壓是否低于0.5 V，如果低于0.5 V，開啟照明，白光LED開啟30%照明度，RGB LED每隔2 s切換一次顏色，反之繼續(xù)檢測太陽能板電壓；3)開啟照明后，微波雷達(dá)感應(yīng)模塊檢測周圍是否有移動物體經(jīng)過，如果檢測到移動物體，白光LED開啟100%照明度，反之繼續(xù)檢測是否有移動物體；4)紅外遙控模塊檢測是否有紅外遙控指令，如果檢測到紅外遙控指令，設(shè)備轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)指令；5)無線通信模塊檢測手機APP是否有調(diào)光、調(diào)色、調(diào)速指令，如果檢測到有相關(guān)指令下發(fā)，設(shè)備轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)指令。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)云平臺作為智慧庭院照明系統(tǒng)重要組成部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)使用提供豐富軟件開發(fā)工具包(software development kit,SDK)和應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)功能的阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過該平臺可以快速進(jìn)行云上功能定義、設(shè)備調(diào)試、人機交互，并且提供唯一的設(shè)備證書以供設(shè)備一機一密燒錄[18]。云平臺設(shè)備創(chuàng)建流程如圖6所示。本系統(tǒng)中阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為MQTT代理平臺(服務(wù)端)，無線通信模塊作為MQTT客戶端。消息的發(fā)布和訂閱均基于所定義主題(topic)進(jìn)行。無線通信模塊MQTT初始化代碼均在所燒錄標(biāo)準(zhǔn)AT固件包中，相應(yīng)配置完成后向無線通信模塊發(fā)送AT+MQTTSTART指令即可進(jìn)行MQTT消息的發(fā)布和訂閱。

圖6 云平臺設(shè)備創(chuàng)建流程Fig.6 Cloud platform equipment creation process

云平臺設(shè)備創(chuàng)建過程中，物模型的定義尤為重要，只有建立物模型定義對應(yīng)topic，照明設(shè)備端采集到的數(shù)據(jù)才能通過MQTT客戶端發(fā)布至MQTT服務(wù)端，手機APP作為另一客戶端才能通過MQTT服務(wù)端獲取照明設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信息交互。本系統(tǒng)物模型的創(chuàng)建包括設(shè)備開關(guān)、電池電壓、光伏開燈電壓、光伏充電電流、主燈亮度、RGB調(diào)色、彩燈控制、變色速度等物理模型的定義，模型定義均使用JSON數(shù)據(jù)格式。部分物模型定義代碼如下：

{"properties":[

{"identifier":"batVoltage","name":"電池電壓","accessMode":"r","required":true,"dataType":{"type":"float","specs":{"min":"0","max":"10","unit":"V","step":"0.01"}}},

{"identifier":"LightSwitch","name":"開關(guān)","accessMode":"rw","required":true,"dataType":{"type":"bool","specs":{"0":"關(guān)閉","1":"開啟"}}},

{"identifier":"lampOnVoltage","name":"光伏開燈電壓","accessMode":"rw","required":false,"dataType":{"type":"float","specs":{"min":"0.1","max":"10","unit":"V","step":"0.5"}}},

{"identifier":"ColorSpeed","name":"變色速度","accessMode":"rw","required":false,"dataType":{"type":"int","specs":{"min":"0","max":"100","unit":"%","unitName":"百分比","step":"1"}}}

]}

代碼中自定義標(biāo)識符batVoltage即電池電壓，讀寫類型“r”為只讀模式，“required”值為true，表示傳輸值不能為Null，否則報錯，數(shù)據(jù)類型“float”為單精度浮點型，數(shù)據(jù)規(guī)格“min”最小值為0，“max”最大值為10，數(shù)據(jù)單位為伏特/V，數(shù)據(jù)步長為0.01；LightSwitch即設(shè)備開關(guān)，讀寫類型“rw”為讀寫模式，“required”值為true，表示傳輸值不能為Null，否則報錯，數(shù)據(jù)類型“bool”為布爾型，布爾值0為關(guān)閉，1為開啟；lampOnVoltage即光伏開燈電壓，讀寫類型“rw”為讀寫模式，“required”值為false，表示傳輸值可以為Null，數(shù)據(jù)類型“float”為單精度浮點型，數(shù)據(jù)規(guī)格“min”最小值為0.1，“max”最大值為10，數(shù)據(jù)單位為伏特/V，數(shù)據(jù)步長為0.5。

3.3 EMW3060B模組配網(wǎng)設(shè)計

EMW3060B模組配網(wǎng)設(shè)計的目的是將手機端設(shè)置的Wi-Fi參數(shù)發(fā)送至EMW3060B模組，進(jìn)而實現(xiàn)與阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)絡(luò)快速配置，即一鍵配網(wǎng)。實現(xiàn)一鍵配網(wǎng)主要分為3步：(1)燒錄v2.4.0固件包至無線模組，固件包中包含配網(wǎng)API且支持一鍵配網(wǎng)(smart config)模式；(2)物聯(lián)網(wǎng)云平臺人機交互界面配網(wǎng)方案選擇一鍵配網(wǎng)作為默認(rèn)配網(wǎng)方式；(3)手機APP掃描設(shè)備二維碼后設(shè)置Wi-Fi參數(shù)完成配網(wǎng)。

4 系統(tǒng)測試

智慧庭院照明系統(tǒng)可行性測試包括無線模塊配網(wǎng)測試、LED驅(qū)動測試、結(jié)合實際場景測試和手機APP綜合測試。

4.1 無線模塊配網(wǎng)測試

本系統(tǒng)對于無線模塊是否配網(wǎng)成功的測試通過串口監(jiān)視器實現(xiàn)。測試過程中，AT+FWVER指令用于查詢固件版本；AT+ILOPSTATUS指令用于查看無線模塊是否接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺；AT+ILOPSET指令用于查詢當(dāng)前綁定設(shè)備證書信息；AT+ILOPSET=a1zxx,LgQ9S6xxx,cc7a11bdexxx,TEudNfnxx 指令用于燒錄云平臺所生成設(shè)備證書至無線模塊；AT+ILOPSTART指令用于啟動接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；AT+ILOPAWSSTART指令用于啟動阿里物聯(lián)網(wǎng)路由配網(wǎng)，測試使用的串口波特率為115 200。

測試過程中，串口輸出值若為“OK”，表示配網(wǎng)成功，輸出值若為“ERROR”，表示配網(wǎng)失敗。測試表明，串口輸出值均為OK，表示配網(wǎng)成功。

4.2 LED驅(qū)動測試

本系統(tǒng)對于LED的驅(qū)動測試以白光LED為例，RGB LED驅(qū)動同理。系統(tǒng)LED驅(qū)動均采用PWM調(diào)制技術(shù)調(diào)光，該驅(qū)動方式可以實現(xiàn)系統(tǒng)精準(zhǔn)快速調(diào)光[19]。

測試過程中，若正向脈沖時間越長，LED亮度開始逐漸增強，且LED切換亮度時間保持在10 ms內(nèi)，則表示LED驅(qū)動性能良好，反之則不然。不同占空比LED亮度測試數(shù)據(jù)如表1所示。系統(tǒng)設(shè)定脈沖周期T=1/156.1 Hz，即6.4 ms。由于系統(tǒng)采用蓄電池供電方式，所以對LED設(shè)置了功率限制，其范圍在3 W內(nèi)，當(dāng)75%占空比輸出時，LED負(fù)載功率達(dá)到3 W，因此無法全占空比輸出。本設(shè)計分別對3%、16%、41%、75%正向占空比時，白光LED照明亮度百分比及亮度改變所需時間進(jìn)行測試。測試表明，通過調(diào)節(jié)占空比，LED亮度逐漸增強，LED切換亮度時間均小于10 ms，LED驅(qū)動性能良好，可實現(xiàn)LED快速驅(qū)動。

表1 不同占空比LED亮度測試Table 1 LED brightness test with different duty cycles

4.3 實際場景測試

測試過程中，當(dāng)測得太陽能板電壓高于0.5 V時，LED處于關(guān)閉狀態(tài)；太陽能板電壓低于0.5 V時，LED開啟照明，其中，白光LED開啟30%照明度，RGB LED每隔2 s切換一次顏色；通過紅外遙控器發(fā)送紅外遙控指令和通過手機APP發(fā)送調(diào)光、調(diào)色、調(diào)速指令時，LED可快速響應(yīng)指令，則表示系統(tǒng)設(shè)計合理、可控性強、功能多樣，反之則不然。

測試時智慧庭院照明設(shè)備實物執(zhí)行狀態(tài)如圖7所示，經(jīng)測試表明，LED會按照既定程序開啟、關(guān)閉及切換照明方式，系統(tǒng)設(shè)計切實可行。

圖7 智慧庭院照明設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)Fig.7 Implementation status of smart courtyard lighting equipment

4.4 手機APP測試

測試過程中，通過手機端掃碼添加照明設(shè)備連接Wi-Fi后，云平臺設(shè)備顯示在線；手機頁面顯示照明設(shè)備開關(guān)、光伏開燈電壓、電池電壓、光伏充電電流、主燈亮度、RGB調(diào)色、彩燈控制、變色速度等數(shù)據(jù)信息；在手機頁面發(fā)出相應(yīng)控制指令后，照明設(shè)備可快速響應(yīng)該指令，則表示手機APP可以正確激活并添加設(shè)備，完成設(shè)備一鍵配網(wǎng)，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制，反之則不然。

掃碼后手機APP界面提示連接Wi-Fi，密碼指令輸入無誤后，物聯(lián)網(wǎng)云平臺設(shè)備狀態(tài)顯示為在線，手機APP端實時更新的照明設(shè)備數(shù)據(jù)信息如圖8所示。經(jīng)測試表明，手機APP可以正確激活并添加設(shè)備，完成設(shè)備一鍵配網(wǎng)，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制。

圖8 APP端照明設(shè)備數(shù)據(jù)信息Fig.8 Lighting equipment data on APP side

5 結(jié)論

為滿足日益增長的生活需求，給人們提供更加優(yōu)越的生活體驗，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、PWM調(diào)光、云平臺管理等多種信息技術(shù)，以適用于特定庭院場景、功能多樣、節(jié)能環(huán)保、可控性強為目標(biāo)，設(shè)計出一種智慧庭院照明系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集環(huán)境數(shù)據(jù)并根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)自動開關(guān)照明功能，能夠通過手機APP人機交互界面顯示設(shè)備參數(shù)值，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制照明設(shè)備，能夠把LED亮度切換時間控制在指標(biāo)范圍10 ms內(nèi)，能夠通過紅外遙控器實現(xiàn)近距離人機交互控制。系統(tǒng)的設(shè)計除可以用于日常智能照明外，還能以快速調(diào)節(jié)照明LED色彩色溫的方式供家庭聚會、朋友聚會、娛樂場景使用，實現(xiàn)真正意義上以庭院為應(yīng)用場景的智慧照明。本設(shè)計也可應(yīng)用于現(xiàn)代城市“社區(qū)公園”中。