基于IOT的LED智能照明控制管理系统设计方案

  针对传统照明的有线、机械的控制方式，文章提出一种基于物联网（InternetOfThings，IOT）技术的LED智能照明控制管理系统，将智能控制模块嵌入LED照明终端，综合运用嵌入式技术、无线传感器网络等技术，实现智能化、数字化、无线化的智能照明控制方式，同时还具有环境温湿度、光照度等环境参数的监测功能。

  随着LED照明越来越普及以及移动网络技术的加快速度进行发展，人们对家居生活的网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈，将家用电器、灯具、安防报警等模块通过无线网络集成到控制平台，实现智能控制和智能管理。随着物联网（TheInternetofthings，IOT）产业的发展，智能LED照明已成为IOT中重要的一部分。本文为了“绿色智慧照明”的实施而提供智能化的LED照明控制管理系统，利用物联网技术、嵌入式技术等，实现对LED灯具多种照明模式的无线远程控制，并对LED灯具工作范围内的环境照度、LED灯具工作状态进行实时监测，同时利用传感器技术实现LED照明的自适应光照调节以及多种组合的灯光色彩变换，从而创造出一种舒适、节能、安全的光环境，系统原理框图如图1所示：

  本系统的硬件设计包括LED灯具控制终端和触控面板两部分，用于实现LED灯具的智能照明控制；主要包含控制模块、通信模块、LED驱动模块、电源模块等。

  LED智能照明控制管理系统的主控单元主要LED灯具控制终端和数据采集终端两部分所组成。LED灯具控制终端以ARM处理器STM32为控制核心，由电源电路，外围电路，光照传感器组成；数据采集终端则由温湿度传感器，照度传感器，PM2.5传感器组成，其硬件电路原理图如图2所示。

  触控面板的硬件电路设计基于新一代ARM处理器STM8S来实现，STM8S系列处理器自带触摸软件库的设计，利用电容本身就具有的电荷转移特性，能轻松实现电容式的触摸传感检测。在LED智能照明控制管理系统中，主要实现了LED灯具的开关按键以及滚动条亮度调节的设计，其电路原理图如图3所示。

  为了实现LED智能照明系统的集中管理以及环境监视测定功能，本文采用基于物联网的ZigBee无线模块构成通信网络。本系统的Zigbee无线是一个实质的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。该解决方案将提高性能和适应基于频段应用，和它的低成本、低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧并且效能更高的8051控制器。

  考虑到本设计应用在家庭场合，而家庭中一般提供的电源主要220V交流电源，因此电源模块设计时需要采用多个分离元件来实现不同电压输出的稳压电路，其中3.3V和5V电源首先经开关电源将220V电源转换成12V直流电源再得到。

  +12V转+5V使用的是LM2576系列的稳压器，LM2576能够驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力，其+5V电源原理图如图4所示：

  +5V转+3.3V使用的是AMS1117电压调节器，AMS1117能够给大家提供1A的输出电流，min输入电压为1V，输出+1V。通过+5V稳压到+3.3V后供给CPU和其他芯片，其+3.3V电源原理图如图5所示。

  系统的软件设计主要实现LED智能照明控制与环境数据的采集和传输，通过采用ZigBee无线通信网络能轻松实现LED灯具的集中管理以及数据采集功能。

  ALIBUS智能照明产品采用RS485总线技术，技术成熟可靠，安全稳定。开关驱动器具备独立工作的能力，适用于一些中小型的项目；模块化设计，能随意拼接扩展，同时预留I/O口以及Modbus接口，还能够完全满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台做数据交换。

  适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明控制需求。

  1）实时检测并显示各个模块的在线状态，反馈现场受控回路的开关状态，监控界面按照楼层各分区的布局和回路列表来浏览。

  2）当发生模块离线、网关设备掉线或者状态反馈和下发控制命令不一致时会出现故障报警，并将故障报警信息记录并显示在界面中。

  3）可以对单个照明回路实现开关控制；每个模块、楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以一个模块或者整个楼层实现开关控制。

  4）开关驱动器支持过零触发功能，负载（灯具）的分合操作仅在交流电过零时进行；可有实际效果的减少电磁干扰以及对电网的冲击，延长灯具与控制装置的寿命。

  5）对每个照明回路可以预设掉电状态，当照明电源掉电时，开关驱动器会自动切换到预设的掉电状态；确保重新上电时灯具的开关状态是确定与可控的。

  6）拖动调光控件，照明设备从0%到100%进行调光，可以对单个照明回路实现调光控制，调光总控可以对一个模块的照明回路实现调光控制，也可以对多个照明回路实现调光控制，通过图标的亮灭状态反馈现场开关的状态。

  7）点击场景控件，打开或者关闭对应场景设置，软件界面上显示不同的场景模式和场景功能，通过图标的亮灭显示对应的场景状态是打开还是关闭。

  8）设置定时时间，确认时间点后，对该事件点执行的动作进行设置，设置灯在设定的时间点亮或者灭。

  9）系统能通过预设的当地经纬度信息，自动计算每天的日升日落时间；根据天文时钟控制照明开关，实现日落开灯、日出关灯的功能。

  10）所有定时控制计划均可下发保存至驱动模块；当上位机系统故障或模块离线时，驱动模块可以利用自带的RTC时钟维持定时控制计划的正常执行，不影响日常的照明控制效果。

  11）系统结构是分布式总线结构；系统内各元件不依赖于其他元件而能够独立工作；系统内各元件能够最终靠程序的设定实现功能的多样性。

  可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能化控制

  本文通过对相关理论知识的学习，针对LED的特性，对LED灯具的亮度、色彩方面做了调节，加入亮度传感器、人体检测传感器实现LED照明系统的智能化、数字化、网络化。

  [1]俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制管理系统的研究[D].浙江：浙江工业大学，2012.

  [5]荣学娟.基于ZigBee协议室内情景照明控制管理系统开发[D].天津：天津工业大学，2010.

  [7]关蓓蓓,田立国,李猛,刘雨.基于IOT的LED智能照明控制管理系统的设计，2017，17：35-36