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一种节能型智能控制的LED照明物联网系统设计

一、前言

  LED照明已走进人们的工作和生活,随着节能环保和清洁能源的照明意识加强与LED照明本身的特点及控制方法催生更高的照明层次需求,推动照明新产业的迅速发展,具体表现在:照明更加节能可控、低碳、安全可靠;时尚个性,满足不同用户独特需求;轻松管理,可通过操作面板、电脑、手机、IPOD、遥控器等登录网络进行对办公或住宅照明进行控制。更重要的是可通过对光的明暗或光色的控制使照明环境为人们的工作学习、休息提供更好与更加健康的智能服务。同时系统还有信息反馈和交流的平台,使人们在轻松享受照明环境的同时可交流平台上的照明应用控制信息,以此扩大节能和智能型LED照明的应用,扩大全社会对能源清洁、降耗、减排的节能照明理念的关注,并以此更好地保护我们可爱的地球家园。

  二、系统组成与应用原理

  本系统由四个分系统组成,具体分别是太阳能伏光供电与调节系统、LED照明驱动及控制系统、调光调色等照明功能智能控制系统和物联网上位机集中控制与信息反馈平台系统。

  (1)太阳能伏光供电与调节系统

  太阳能伏光供电与调节系统,包括太阳能电池板、蓄电池组、计算机自动控制的充电及供电系统、伏光发电系统数据采集和调节供电控制及与上位机联网系统。此部分是利用太阳能伏光发电给办公或家用LED照明系统供电,同时在遇上连续阴天伏光发电不够用时系统自动调节使用市电保证正常照明。

  设置太阳能光伏发电系统最大功率输出点跟踪,利用传感器网络节点对每块太阳能电池的工作情况进行监控,包括输出电流、电压、功率变化的曲线,并将这些信息汇总到上位机监控软件,通过分析各种数据,实现太阳能电池的最大输出功率跟踪,提高太阳能电池的工作效率。对于蓄电池组工作参数检测系统,利用单总线温度传感器检测温度,利用电流变送器检测电流并将数据通过CAN总线上传给主控机,由主控机进行处理并显示出来。采用在模块上设置硬件开关或跳线产生模块地址数据,然后由MCU通过I/O口读入并存放在RAM中,便于上位你读取和调用。

  (2)LED照明驱动及控制系统

  LED照明驱动及控制系统,此系统又分主体照明和辅助照明,主体照明具有调光、调色功能及有多种灯光模式组合,使环境光线更为舒适,同时亦可作较多的变化,以适应不同的情况。早上能使办公室的光线更加清新,下午会发出一种微弱的淡蓝光,但就是这种光能激发人们工作的热情,晚上在客人探访、聚会畅谈时可能需要较明亮的灯光,而在欣赏古典音乐或轻音乐时,柔和的灯光会通过传感控制后自动显得较为写意而舒缓。另外还可以在白天使自然光照明和LED照明自动融合达到最佳照明效果,使节能效率维持在最佳水平。

  这些是照明光线效果的动感变化,实质就是控制LED的电流的变化。我们知道LED之所以比传统光源更适合控制主要原因是响应快线性好、上升快、光谱色温可调、安全并且可分离控制。现阶段国内外很多家公司投入资金研究LED驱动控制IC,大部分都留有兼容和控制接口。电路设计趋势也向集中控制、标准模块化及控制系统可扩展性等方面发展。这样对LED灯具光源控制变得非常方便。

  (3)调光调色等照明功能智能控制系统

  此系统主要包括单片机的接收执行上位机指令和通过运算而输出控制信号并反馈的闭环系统是整个应用系统的关键部分,下面通过实际应用说明智能控制系统的工作原理。

  传统的色温可调的设计中通常是通过改变某种颜色的电流,来混成不同的色温。使用这种方式,在调节色温的同时,光源的亮度并不恒定,也会随之发生改变。为了实现色温和亮度的独立控制,每种颜色的LED需独立PWM驱动,通过变换不同的颜色间比例,来混成指定的色温值。在保持某一色温恒定的前提下,需要调节亮度时,只需保持该色温下各颜色间的比例不变,改变的只是每种颜色的绝对输出亮度。如需保持亮度不变,只是调节不同的色温,只需根据各色温下,各颜色所占的比值,计算得到各颜色LED所需的输出光通量即可。

  通过这种方式,即可实现色温变化的同时,亮度值保持恒定。调节各LED实际输出亮度是通过改变驱动电流的占空比来实现,并不需要改变驱动电流大小。红光、绿光及蓝光分三路独立PWM驱动,通过控制微处理器MCU输出每路LED电流所需占空比,使各颜色LED输出亮度混合成所选择的色温和亮度。在办公或住宅植物花园照明应用系统中,对碳排放的控制有着很重要的意义。

  光照与植物光对植物的影响有四种形式:光质、光周期、光强度和光量,植物的生长和产量(植物的大小、花的数目及其它特征)主要受一整天内接受的光量的影响,植物的形态(高度和株型)主要与光质有关(主要是蓝光、红光)。对光周期敏感植物,其开花(短日照和长日照植物)主要受光的持续时间或光周期的影响,而对光周期不敏感型植物(中性)受光量影响最大,光合作用主要受光量和光强度影响。光合作用主要发生在可见光谱(400-700nm)内,在红光光区和蓝光光区内光合作用最强LED植物生长灯根据植物光合作用择旋光性的生长机理,采用LED做光源,按照科学的RGB配比进行混色,人工合成植物生长所必需的光,光谱纯,光谱集中在450-470,615-625。

  跟普通植物灯相比优势明显,普通植物灯会辐射出对植物生长无用的紫外光跟红外光,浪费大量电能,而LED植物生长灯采用电致发光机理,在同等光强的条件下,LED植物生长灯要比普通的植物生长灯节电80%以上。按事先设置的软件程序,就能通过LED照明系统对植物生长进行控制,更重要的是,通过物联传感对光、湿、温等变化来对整个照明系统来进行管理,使LED调光调色等照明功能智能控制系统在人们的生活及工作照明中健康地为人们服务,对减少每个人、每个家庭、每个单位的碳排放起到综合治理的作用,通过每一单个系统的使用,来普及大众化应用,从而能真正地畅导健康照明,保护环境。

  (4)物联网上位机集中控制与信息反馈平台系统

  以上通过对太阳能伏光供电与调节系统、LED照明驱动及控制系统和调光调色等照明功能智能控制的三个基础系统工作原理的说明,我们知道了这些分系统各部分的组成和作用。但是怎样才能把这些环节有机地组成起来完成智能工作呢,这就需要物联网上位机集中控制与信息反馈平台系统。物联网是新名词,首先看看物联网的概念和特征:物联网(InternetofThings)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

  首先,它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性的采集环境信息,不断更新数据。

  其次,它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中,为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议。

  还有,物联网不仅仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模糊识别等各种智能技术,扩充其应用领域。

  LED照明产品用于办公或家居照明的一个独特优势就是通过智能控制来创造舒适节能的照明环境。因为LED以其光源特性决定了其未来的智能化照明方向。我们再回到前面来分析整个系统是怎样工作的。太阳能伏光供电与调节系统、LED照明驱动及控制系统和调光调色等照明功能智能控制的三个是基础系统,是子系统,物联网上位机集中控制与信息反馈平台系统才是母系统。

  太阳能伏光供电与调节系统为整个系统提供能量支持,同时通过网络传感器把太阳能板充电数据、放电数据、调节数据和效率数据传输给物联网上位机系统平台,再通过互联网供查询调用,形象一点比喻可相当于人体血液循环系统,把能量带给单元电路,同时把电信号数据带回存储区。照明驱动控制系统就相当于人体的躯干了,担负起整个照明系统驱动点亮的动作执行,驱动控制系统内部有分单元之间采用ZigBee的网络标准传输技术。

  ZigBee模块通过标准接口与系统主板通过串口进行通信;ZigBee模块之间以无线网络的形式进行数据传输,其中与传感器相连的ZigBee模块利用其普通I/O端口作为传感器信号的接收端口与上位机系统联系。调光调色系统就相当于人体神经系统,执行来自物联网集中控制的中枢系统的命令。

  执行的通道有两种:一是WiFi通道(近距离控制),一是互联网通道(远程控制)。WiFi技术和ZIGBEE模块技术是符合IEEE802.15.4标准的。IEEE802.15.4标准适用于低速率、低功耗、低复杂度和短距离数据传输的无线个域网(WPAN)。在网络内的无线传输过程中,采用带冲突避免的载波侦听多路访问机制(CSMA/CA),支持超帧结构和时槽保障机制(GTS)。网络拓扑结构可以是星型网或点对点的对等网。该标准定义了3种数据传输频率,分别为868MHz、915MHz、2.4GHz。前两种传输频率采取BPSK的调制方式,后一种采取0-0PSK的调制方式。各种频率分别支持20kbit/s、40kbit/s和250kbit/s的无线数据传输速率,传输距离在0m~70m之间。

  本文中采用的是频率为2.4GHz的无线发射模块。这四个系统之间及母系统与子系统之间都是通过传感网络与命令传输网络联系的。具体这些网络又分传感延深层、网络层和应用层。每层都使用通用的物联网技术标准。这里再往下探讨就相当复杂了,牵连到很深的专业知识结构。但我们本着应用的原则,先做较简单的系统,留有扩展端,慢慢从简单过渡到高级复杂的应用系统。

  随着LED芯片技术、LED驱动技术及通信技术、嵌入式技术、传感器技术的发展,LED智能照明控制物联网系通会有着广泛的应用。该系统不需要对现场结构进行改动,不需要原先任何固定网络的支持,能够快速布置,方便调整,并且具有很好的可维护性和拓展性,应用前景十分看好。

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