廣州市賽菱智能控制科技有限公司
Guangzhou AutoSailin Intelligent Control Technology Co. Ltd.
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此控制器采用Wi-Fi作為其通信方式，基于HTTP控制協(xié)議，可通過手機(jī)AP直連或通過網(wǎng)關(guān)/路由器連接移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制；除此之外，該LED智能控制器集成人體紅外傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器，可實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備手動(dòng)控制和傳感器自動(dòng)控制兩種控制方式。解決了傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)功能單一、智能化程度不高等缺點(diǎn)，對(duì)LED智能燈光控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展也有一定的彌補(bǔ)作用，具有廣闊的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。
我國(guó)是能源消耗大國(guó)，國(guó)家能源“十二五”規(guī)劃中明確，要大力發(fā)展節(jié)能降耗技術(shù)。LED照明因其具有的無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)而廣泛被市場(chǎng)所認(rèn)可和接納。但是，就目前LED照明技術(shù)而言，LED照明技術(shù)的開發(fā)和完善還有很長(zhǎng)的路要走。例如，如何使LED驅(qū)動(dòng)更加穩(wěn)定，壽命更久；LED光源品質(zhì)的提升、LED智能化進(jìn)步等等，都需要科研技術(shù)人員的再接再厲，不斷鉆研。
作為L(zhǎng)ED智能照明中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)——智能控制器，科研技術(shù)人員也一直在做著不斷的創(chuàng)新與完善，力求研究出更加智能化的控制器，為用戶創(chuàng)造更加舒適便捷的照明體驗(yàn)。
目前，應(yīng)用于LED控制的無(wú)線技術(shù)方案，主要有紅外控制，藍(lán)牙，ZigBee和Wi-Fi等幾種方案。王東波等中提出了一種基于藍(lán)牙控制的家庭智能照明系統(tǒng)，理論上可以通過手機(jī)對(duì)照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一對(duì)多控制，但由于藍(lán)牙版本的多樣化兼容問題和藍(lán)牙連接*大節(jié)點(diǎn)數(shù)限制，使藍(lán)牙在智能燈光系牙的節(jié)點(diǎn)限制等問題，藍(lán)牙作為L(zhǎng)ED智能控制器的通信方式，其發(fā)展受到限制。
提出了將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于小功率LED照明系統(tǒng)和LED路燈照明系統(tǒng)的觀點(diǎn)，一定程度上解決了LED遠(yuǎn)距離控制的問題，但由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率僅為250kb/s，這樣一定程度上限制了大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠渌S富的照明應(yīng)用需求，另外，由于ZigBee不同版本間的不兼容問題和大量節(jié)點(diǎn)開發(fā)的高昂成本問題，也對(duì)后續(xù)開發(fā)造成了一定的問題。此外，對(duì)于通信方式的安全性，也不得不給與更多的重視。
針對(duì)上述問題，本文選擇Wi-Fi作為智能控制器的通信方式，解決了大數(shù)據(jù)量的通信需求的同時(shí)，在數(shù)據(jù)安全與節(jié)能更是有著不俗的表現(xiàn)。
1、控制方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)方案：
如圖1所示，為系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方案，本文中所設(shè)計(jì)的智能控制器（內(nèi)嵌于LED燈具內(nèi)部），可以通過Wi-Fi的AP直連和Wi-Fi通過路由器/網(wǎng)關(guān)連接兩種方式通過手執(zhí)設(shè)備控制LED燈具。除調(diào)光、調(diào)色溫、色彩氛圍調(diào)節(jié)（燈具允許）等基本功能外，還能夠通過控制器外部集成的人體紅外傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，滿足日常照明控制需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更加豐富、智能的感官體驗(yàn)。
2、控制器硬件設(shè)計(jì)
本文中所設(shè)計(jì)的智能控制器硬件主要由兩部分構(gòu)成：Wi-Fi通信模塊電路和主控制器MCU電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2.1傳感器選型
2.1.1光照傳感器
光敏傳感器采用KY-018光敏電阻模塊，此模塊靈敏度高，響應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)，能夠在高溫，潮濕條件下保持較高的穩(wěn)定性，能廣泛應(yīng)用于多種自動(dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域，能較好的適應(yīng)家庭室內(nèi)環(huán)境變化。
2.1.2人體紅外傳感器
本設(shè)計(jì)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，此模塊采用德國(guó)進(jìn)口的LHI778頭對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行采集，并通過紅外熱釋電處理芯片BISS0001對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出高低電平。此模塊通過跳冒切換可選擇L（不可重復(fù)觸發(fā)）和H（可重復(fù)觸發(fā)）兩種觸發(fā)方式；5-200S可調(diào)延時(shí)時(shí)間范圍；工作溫度范圍廣，檢測(cè)距離3～7米，可以很好的滿足家庭室內(nèi)環(huán)境的需求。
2.1.3溫濕度傳感器
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)快，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在擁有較高的性價(jià)比的基礎(chǔ)上，能保證極高的可靠性和長(zhǎng)期的工作穩(wěn)定性。單線制串行接口，方便集成，傳輸距離可達(dá)20米以上，適應(yīng)很多苛刻環(huán)境。
2.2通信模塊電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中選用HF-LPB100超低功耗嵌入式Wi-Fi模快，此模塊提供UART串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案，硬件集成了MAC，基頻芯片，射頻收發(fā)單元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持Wi-Fi協(xié)議及配置和TCP/IP協(xié)議棧，傳統(tǒng)的低端串口設(shè)備或MCU控制設(shè)備都可以很方便的通過它接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)中，采用其支持的AP直連和路由器/網(wǎng)關(guān)兩種連接方式。
Wi-Fi模塊硬件電路設(shè)計(jì)中，集成了指示燈電路和四個(gè)功能按鍵來(lái)滿足不同的需求，將各通信引腳引出，滿足不同的擴(kuò)展需求，考慮LED燈內(nèi)空間有限，PCB設(shè)計(jì)50mm×40mm的插針式雙層板，方便接插于單片機(jī)控制板上節(jié)省空間。
2.3MCU電路設(shè)計(jì)
MCU采用Atmel公司的ATmega2560八位單片機(jī)。此單片機(jī)具有56路數(shù)字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模擬輸入接口，4路UART接口，6路外部中斷，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V兩種電源接口，適用于大量IO接口設(shè)計(jì)和PWM需求。
選擇此款芯片，主要考慮其方便的PWM功能及其A/D轉(zhuǎn)換功能以及ATmega2560系列芯片程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，PWM信號(hào)可直接與外部設(shè)備相連，使得所設(shè)計(jì)的外圍電路得到大大簡(jiǎn)化，程序設(shè)計(jì)方便，成本得到降低。PCB設(shè)計(jì)為50mm×50mm的帶插槽模式，方便與Wi-Fi電路板接插。所有要用到的引腳均已用插針形式引出，方便接插傳感器和PWM控制端。
其中，除振蕩電路為MCU提供基礎(chǔ)的頻率時(shí)鐘外，本設(shè)計(jì)中還單獨(dú)設(shè)計(jì)了基于DS1307Z+時(shí)鐘芯片的高級(jí)時(shí)鐘電路，用來(lái)提供高級(jí)時(shí)鐘功能。電路設(shè)計(jì)使用超級(jí)電容電路來(lái)為時(shí)鐘芯片供電，省去了紐扣電池，以此提高電路的使用壽命和降低成本。
本設(shè)計(jì)中的電壓穩(wěn)壓降壓采用LD1117低壓差線性穩(wěn)壓器，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給Wi-Fi模組使用，此穩(wěn)壓源允許輸入的*高電壓為16V，可提供1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和可調(diào)電壓輸出；其輸出電壓精度可控制在1%范圍內(nèi)；輸出電流范圍1mA-1A；具有很好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。
結(jié)束語(yǔ)
目前，Wi-Fi技術(shù)在智能LED家居照明領(lǐng)域，已經(jīng)有了一定程度的研究和發(fā)展。本技術(shù)在LED照明領(lǐng)域能起到一定的補(bǔ)充作用，并且具有較好的擴(kuò)展能力，通過其開放接口，可廣泛應(yīng)用于其他智能家居產(chǎn)品，具有一定的實(shí)際意義和使用價(jià)值。