智能化LED照明系统的设计思考

谭建麟

甘肃省城乡规划设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730100

0 引言

在当今的科技化时代，随着智能技术的不断发展，智能化LED照明系统也开始在现代化智能家居中得到良好应用。为了确保智能化LED照明系统的应用效果，满足用户的实际应用需求，文章以智能家居中的智能化LED照明系统为例，分析其设计。希望通过文章的分析，可以进一步提升智能化LED照明系统的设计质量与应用效果，以此促进智能家居行业的良好发展。

1 智能化LED照明系统的应用优势

智能化LED照明系统是指通过硬件连接的方式让智能家居的所有LED照明灯具都集成到一个系统中，然后再通过软件程序进行远程智能化集中控制和分散控制。相比于传统形式的照明系统，智能化LED照明系统的应用优势十分显著[1]。

（1）更加节能。LED灯具比传统照明灯具节能，加之智能化控制技术的应用，可根据实际情况和实际应用需求进行开启、关闭及亮度调节，显著降低整体照明系统的电能消耗[2]。（2）控制更加高效灵活。智能化远程控制技术结合各种传感器，可以智能化地监控系统中的各个LED灯具，从而全面满足用户的应用需求[3]。（3）安全性更高。在智能化LED照明系统中，各种传感器会采集智能家居的各种环境参数，可以及时发现异常，并通过用户端App发出报警提示，从而实现良好的安全保障。（4）艺术效果更好。将智能化LED照明系统合理应用到智能家居中，可按照用户需求调节灯光效果，包括开启数量、颜色、亮度等，从而营造良好的艺术氛围[4]。

2 智能化LED照明系统的设计

文章设计的智能化LED照明系统的主要组成部分有核心控制器（STM32型单片机）、LED灯具驱动电路、服务器及智能终端。该智能化照明系统中的LED灯具为RGBW四色形式，按照格拉斯曼混光原理设置。采用计算机控制LED混光比例，实现四路PWM波的输出，再通过控制各种颜色灯光的亮度达到混光、混色效果。系统中的灯光颜色和亮度都能够调节，并可以通过不同颜色和亮度的规律性变化来营造情境。将用户端系统中的智能化设备安装到控制中心，以物联网为依托，可以远程控制整个照明系统。系统中的传感器会采集和上传家居环境中的各项数据，既可以使数据以家居环境安全监测数据的形式显示在用户端，也可以为照明系统的自动化控制提供数据支撑，从而实现智能化LED照明系统的人性化设计。智能化LED照明系统的整体结构如图1所示。

图1 智能化LED照明系统整体结构示意图

2.1 硬件系统设计

在该智能化LED照明系统中，硬件系统的主要组成部分有数据采集终端传感器、灯控端及LED照明驱动电路。智能家居布线难度较大，需要通过无线传输技术实现传感器、灯控端及LED照明驱动电路之间的数据传输。控制终端和云端之间的数据传输使用Wi-Fi，传感器终端和照明控制端之间采用星型网络通信技术和ZigBee技术。智能化LED照明系统的硬件结构如图2所示。

图2 智能化LED照明系统的硬件结构示意图

2.1.1 灯控节点设计

在硬件系统中，通过USB为灯控节点供电。STM32F103AET6作为主芯片，是以ARM Cortex-M3架构为基础的处理器，其内核为32位，通信接口共5路，16位定时器共8个，可以满足PWM波的多路输出控制及串口通信需求。灯控节点电路主要涉及主控芯片、Wi-Fi模块、ZigBee模块及若干个电路间的通信及控制模块。为了避免数据因断电而丢失，特在硬件设计中加入Flash模块及EEPROM存储模块，以此保存Wi-Fi名称及密码等信息。通过灯光警示电路，可判断灯控节点的实际工作情况，该电路中的灯具在正常情况下需要保持常亮，在不正常情况下将熄灭，可为系统检测提供便利。

2.1.2 驱动电路设计

LED灯具灯光的常态特性只与电流有关，基于此，在设计中应用恒流驱动电路，以此获取所需灯光的亮度及颜色，同时可以进一步扩大电流的利用空间。在系统中，RGBW四种色光的驱动电路都设计为相同形式，且都应用市电隔离AC/DC形式的驱动电路。

在具体设计中，通过变压器对220 V市电进行变压，然后使其流过桥式整流器，再通过稳压管进行稳压处理，最后应用LED驱动器中的AL8805转换器为LED照明系统提供恒流驱动电流。AL8805转换器是专门为智能化LED照明系统的恒流驱动设计的一种DC/DC降压型转换器，其控制方式为PWM波输入，可同时驱动的LED灯具数量为8个，可以满足照明端的实际驱动需求。在此过程中，为了避免PWM信号受到干扰，进一步确保电路的稳定性，将1个10 kΩ的下拉电阻设置在PWM波输入端及大地之间，并将2个33 Ω左右的电阻分别设置在VPN及SET的2个输入引脚之间，以此调整输出电流。

2.2 软件系统设计

系统软件设计主要包括通信协议设计、灯控节点程序设计、云端服务器设计及控制终端软件设计。

2.2.1 通信协议设计

在设计智能化LED照明系统软件中的通信协议时，在系统远端服务器及各个灯控节点之间应用树枝格式固定的控制指令，其中的数据传输格式共有10个字节。系统软件通信协议中的帧定义格式如表1所示。

表1 系统软件通信协议中的帧定义格式

其中，帧头主要判断通信开始，在设计中，其固定值是0xFF；LDE ID主要控制单灯，通过移动智能终端，可进行单灯分组，以此实现灯组控制，而在灯组控制模式下，单灯控制会失效；控制码0x01～0xFF分别代表LED灯具的开关操作及各种的情景模式，在情景模式中，四色光值会失效；RGBW四种色光值的范围都在0～255，其主要作用是将相应的数据源提供给控制器的PWM输出，以此达到混光、混色效果，调节LED的亮度及颜色；校验码主要为奇偶校验形式，以此让数据传输保持准确；帧尾是对一个通信帧所进行的约束，在设计中，将其固定值设置为0xFD。

2.2.2 灯控节点程序设计

在智能化LED照明系统中，灯控节点的主要功能有两个：（1）以调节器的形式设置在ZigBee网络中用作网络构建的核心，其主要作用是处理采集到的环境信息；（2）实现整个系统和服务器之间的信息交互，从而远程控制环境数据信息的上传及LED灯具的调节。考虑到控制指令数据量及系统之间的适用性，将云端控制指令的接收设置为优先接收，在接收此指令之后才可以接收环境数据。系统软件中的主控节点程序流程如图3所示。

图3 主控节点程序流程示意图

2.2.3 云端服务器设计

在智能化LED照明系统软件中，云端服务器分为处理层及端口层。其中，处理层主要以MySQL数据库为依托，其主要功能是报文数据解析、读写及储存；端口层的主要作用是实现云端服务器、LED灯具控制端及用户终端App之间的数据交互。借助HTTP协议，App端可以在云端服务器上创建需要的后端接口，以满足其数据交换需求。智能家居中的本地端硬件设备不具备很高的相对性，在设计中主要通过MQTT（消息队列遥测传输协议）实现云端服务器和用户端硬件设备之间的数据交互。MQTT是由IMB公司研发的一款及时型通信协议，该协议在当今的物联网领域得到了广泛应用。在软件设计中，主要应用MQTT协议中的消息发布与消息订阅模式。

上传环境数据时，发布方是用户端硬件，订阅方是云端服务器；通过用户App端下达远程智能化控制指令时，发布方是云端服务器，订阅方是用户端硬件。通过这样的方式，可实现LED照明系统的智能化监控，让灯光亮度和颜色与实际环境达到良好的匹配效果；也可以根据用户的实际需求进行灯光颜色与亮度的远程调节控制，以此充分满足用户的个性化应用需求。

2.2.4 控制终端软件设计

在智能化LED照明系统中，控制终端主要基于Android系统设计，可以通过Android Studio开发控制软件，通过Gradle自动化构建用户端App中的各种项目。在控制终端软件中，主要的功能框架可以分为灯光控制模块、系统管理模块、环境数据模块及情景模式模块四个模块。各个功能模块的主要功能如表2所示。

表2 控制终端软件各个功能模块的主要功能

3 结束语

综上所述，在当今的智能家居领域，智能化LED照明系统占据重要地位。通过合理设计智能化LED照明系统，不仅可以提升智能家居照明系统的节能降耗效果，还可以满足用户的日常照明需求及个性化情景照明需求，并进一步提升照明灯具控制的便捷性与灵活性。另外，借助智能化LED照明系统的用户终端App，可以实时采集智能家居室内环境数据，以便及时发现异常，为用户提供更好的安全保障。基于此，在现代化智能家居的设计中，设计者要科学设计智能化LED照明系统，以此为用户提供智能化的服务。