智慧庭院照明系统设计与实现

徐锦丽，常海青*，梅华强，程雅丽，王骄舞

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.厦门冠宇科技股份有限公司，福建 厦门 361028)

2017年至今，国务院印发的《关于进一步扩大和升级信息消费 持续释放内需潜力的指导意见》和《中共中央国务院关于完善促进消费体制机制，进一步激发居民消费潜力的若干意见》中明确指出，国家要重点发展适合并适应消费高速升级的智慧家庭产品及可穿戴设备等新型信息产品[1-2]。随着改革开放及人民生活水平的提高，我国庭院经济及城市社区公园蓬勃发展。据统计，截至2020年，我国家庭总户数达4.9亿户[3]，且数量呈现逐年增长趋势。因此，对庭院及城市社区公园的建设进行研究十分必要，而庭院照明作为其重要一环，成为行业研究热点。针对照明系统在各场景中的应用，研究者均做出了不同程度的贡献[4-9]，但这些应用设计主要针对智能照明的控制方式、节点部署或者绿色照明等进行了局部研究设计，对家庭照明结合智慧控制、可再生光伏能源、调光调色、云平台设备物模型管理等系统整体搭建设计未作具体描述，且并未涉及应用于智慧庭院场景的照明研究及设计。针对当前庭院照明设备可控性差、交互方式单一、用途单一、无法提供优越的用户体验等缺陷[10-11]，本文利用物联网、脉冲宽度调制(PWM)、云平台管理等技术设计一种智慧庭院照明系统，实现以庭院为应用场景的智慧照明。

1 系统整体架构与关键技术

系统主要由智慧照明设备、物联网云平台、手机应用程序(APP)3部分组成。按照物联网体系结构划分，智慧照明设备属于感知层，物联网云平台和家庭网关属于网络层，手机APP属于应用层。系统主要实现功能及指标为：1)实现太阳能电池板充当光敏传感器应用外，还作为发电模组为系统进行电能供给；2)根据设定程序对采集数据进行处理，依据处理结果输出控制信号至白光和RGB LED驱动模块，保证照明设备自动开关与调整工作方式；3)实现无线通信模块通过UART串口上传设备相关数据至物联网云平台；4)实现用户端通过手机APP查阅设备信息和发送相应控制命令或者通过红外遥控器进行本地近距离控制照明设备；5)LED亮度切换时间控制在人眼感受不到频闪范围内，即10 ms内。系统采用物联网、PWM调光、云平台管理等关键技术，实现以庭院为应用场景的智慧照明。物联网技术结合计算机技术、无线传感器技术、无线射频识别(RFID)技术，以互联网为基础，实现人与物、物与物的“交流”[12]。系统要实现智慧照明设备数据的上传与接收用户APP指令，需要多种物联网通信方式的支撑。考虑到数据传输速率、网络频段、组网方式、传输距离、成本、网络部署方式、实际需求等因素，系统选用Wi-Fi和预设5 G通讯模组接口作为无线通信模块入网方式。PWM调光技术将数字控制和模拟控制相结合，通过快速调整脉冲宽度实现调光[13]。与模拟调光相比，PWM调光不仅调光快速灵活，不会产生色谱偏移，而且更加节能。云平台管理技术是互联网与计算机技术相结合的新型技术，云平台具备海量程序和数据库用于用户数据的管理。云平台管理技术的使用，一方面可以使终端用户的程序及硬件成本大幅降低，另一方面，能够确保用户的数据分析和处理需求[14]。系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall system architecture

2 系统硬件设计

智慧庭院照明系统硬件设计包含多个模块，本文主要从主控芯片选型，电源模块设计、无线通信模块设计和LED驱动4个模块展开设计。系统硬件设计图如图2所示。

图2 系统硬件设计图Fig.2 Block diagram of system hardware design

2.1 主控芯片选型

为满足智慧庭院照明系统的应用要求，选择主控芯片时要求功耗低、接口丰富、高灵敏度、抗干扰能力强、开发成本低。因此，选用高性能、低成本的SC92F8363芯片作为本系统主控芯片。该芯片引脚数有28个，具有8 KB Flash ROM，最高工作频率为24 MHz，支持低功耗模式，单触控按键唤醒时芯片整体功耗可低至11 μA。

2.2 电源模块设计

电源模块采用太阳能电池与蓄电池结合的方式进行电能供给。电源模块电路设计如图3所示。图3中，S+和S-分别代表太阳能电池板正负极，B+和B-分别代表蓄电池正负极，系统通过把2个p沟道场效应管SI4435反向串联，解决蓄电池过充的问题，当系统检测到蓄电池已处于饱和状态，太阳能板即作为负载放出多余电量；此外蓄电池输出端通过外接ME6211C33稳压模块为系统提供3.3 V稳定电压。太阳能电池板除作为发电模组外，还充当光敏传感器，主控芯片通过AD CHG VOL接口读取当前太阳能电池电压值进而判断是否达到预设开灯条件。经测试，当太阳能电池板电压低于0.5 V时，即表明当前环境较暗，需要开灯。

图3 电源模块电路设计Fig.3 Circuit design of power module

2.3 无线通信模块设计

选用EMW3060B嵌入式无线Wi-Fi模组作为系统无线通信模块。该模块具备配网简单、云固件齐全、板载天线、网络协议库丰富、性价比高等优势，模块电路设计如图4所示。该模块包含25个引脚(PIN)，当烧录固件包时，使用PIN3/4/18作为烧录接口。模块采用UART通信协议与主控芯片进行数据传输，PIN9/10分别作为数据发送/接收端，PIN11为使能端，当复位时表现为低电平有效，PIN16为电源接入端，需使用3.3 V单电源供电，PIN17为接地端。该模块通过家庭网关(即家庭路由器)加入网络，继而作为消息队列遥测传输(MQTT)客户端与物联网云平台MQTT服务器进行数据交互；模块实现无线网络通信和云服务的接入功能需借助设备模组内固化的AT指令，需要注意模组内需烧录最新版本AT指令固件方可正常使用AT指令；通过向模组发送AT+ILOPSET和物联网云平台所生成设备证书信息(AT+ILOPSET=〈product_key〉,〈device_name〉,〈device_secret〉,〈product_secret〉)指令，之后再向模组发送AT+ILOPAWSSTART指令即可激活设备进而实现awss路由一键配网。

图4 无线通信模块电路设计Fig.4 Circuit design of wireless communication module

2.4 LED驱动模块设计

为满足系统功能需求，分别设计白光LED驱动电路和RGB LED驱动电路，驱动电路如图5所示。由于LED驱动要求恒流驱动且能快速切换照明亮度，因此使用金属半场效晶体管(MOS管)作为开关元件。实施方式为：在每个LED负载端均接入一个N型AO3400场效应管(当MOS管栅极源极之间电压VGS大于导通电压时，即可导通)；LED阳极使用恒流源供电；MOS管栅极接入可以提供PWM脉冲的I/O接口，从而实现调光；此外，MOS管还具备开关速度快、损耗小、发热量小的优势，更加方便系统通过PWM调制技术对LED的快速驱动。PWM调光原理是通过调整占空比的大小，控制LED接入电压信号时间的长短，进而调整照明亮度和切换照明色彩[15]。

图5 LED驱动电路Fig.5 LED drive circuit

3 系统软件设计

智慧庭院照明系统软件设计主要包括3部分，分别是智慧照明主程序设计、物联网云平台设计和EMW3060B模组配网设计。系统中使用太阳能电池板作为光感器件，太阳能电池板随着光辐照度的变化，电压短时间内会发生骤变[16]。根据研究可知，当光照度低于25 lx时，当前环境较暗，需要开灯，当光照强度高于25 lx时，则表明需要关灯[17]。对纬度24.29°，经度118.10°地域环境测试得出4.2 V太阳能电池板在光照度低于25 lx时，其电压短时间会降至0.4 V左右，在光照度高于25 lx时，其电压短时间会升至4.2 V，因此，系统通过检测太阳能板电压是否低于0.5 V，进而控制照明设备的自动开启与关闭。

3.1 智慧照明主程序设计

本系统智慧照明主程序设计主要为实现其智慧照明功能，实现其功能主要分5步：1)设备上电程序初始化；2)检测太阳能板电压是否低于0.5 V，如果低于0.5 V，开启照明，白光LED开启30%照明度，RGB LED每隔2 s切换一次颜色，反之继续检测太阳能板电压；3)开启照明后，微波雷达感应模块检测周围是否有移动物体经过，如果检测到移动物体，白光LED开启100%照明度，反之继续检测是否有移动物体；4)红外遥控模块检测是否有红外遥控指令，如果检测到红外遥控指令，设备转去执行相应指令；5)无线通信模块检测手机APP是否有调光、调色、调速指令，如果检测到有相关指令下发，设备转去执行相应指令。

3.2 物联网云平台设计

物联网云平台作为智慧庭院照明系统重要组成部分，主要负责系统设备管理和数据管理。系统使用提供丰富软件开发工具包(software development kit,SDK)和应用程序接口(application programming interface,API)功能的阿里云物联网云平台，通过该平台可以快速进行云上功能定义、设备调试、人机交互，并且提供唯一的设备证书以供设备一机一密烧录[18]。云平台设备创建流程如图6所示。本系统中阿里云物联网平台作为MQTT代理平台(服务端)，无线通信模块作为MQTT客户端。消息的发布和订阅均基于所定义主题(topic)进行。无线通信模块MQTT初始化代码均在所烧录标准AT固件包中，相应配置完成后向无线通信模块发送AT+MQTTSTART指令即可进行MQTT消息的发布和订阅。

图6 云平台设备创建流程Fig.6 Cloud platform equipment creation process

云平台设备创建过程中，物模型的定义尤为重要，只有建立物模型定义对应topic，照明设备端采集到的数据才能通过MQTT客户端发布至MQTT服务端，手机APP作为另一客户端才能通过MQTT服务端获取照明设备数据，进而实现整个系统的信息交互。本系统物模型的创建包括设备开关、电池电压、光伏开灯电压、光伏充电电流、主灯亮度、RGB调色、彩灯控制、变色速度等物理模型的定义，模型定义均使用JSON数据格式。部分物模型定义代码如下：

{"properties":[

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

{"identifier":"LightSwitch","name":"开关","accessMode":"rw","required":true,"dataType":{"type":"bool","specs":{"0":"关闭","1":"开启"}}},

{"identifier":"lampOnVoltage","name":"光伏开灯电压","accessMode":"rw","required":false,"dataType":{"type":"float","specs":{"min":"0.1","max":"10","unit":"V","step":"0.5"}}},

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

]}

代码中自定义标识符batVoltage即电池电压，读写类型“r”为只读模式，“required”值为true，表示传输值不能为Null，否则报错，数据类型“float”为单精度浮点型，数据规格“min”最小值为0，“max”最大值为10，数据单位为伏特/V，数据步长为0.01；LightSwitch即设备开关，读写类型“rw”为读写模式，“required”值为true，表示传输值不能为Null，否则报错，数据类型“bool”为布尔型，布尔值0为关闭，1为开启；lampOnVoltage即光伏开灯电压，读写类型“rw”为读写模式，“required”值为false，表示传输值可以为Null，数据类型“float”为单精度浮点型，数据规格“min”最小值为0.1，“max”最大值为10，数据单位为伏特/V，数据步长为0.5。

3.3 EMW3060B模组配网设计

EMW3060B模组配网设计的目的是将手机端设置的Wi-Fi参数发送至EMW3060B模组，进而实现与阿里物联网平台的网络快速配置，即一键配网。实现一键配网主要分为3步：(1)烧录v2.4.0固件包至无线模组，固件包中包含配网API且支持一键配网(smart config)模式；(2)物联网云平台人机交互界面配网方案选择一键配网作为默认配网方式；(3)手机APP扫描设备二维码后设置Wi-Fi参数完成配网。

4 系统测试

智慧庭院照明系统可行性测试包括无线模块配网测试、LED驱动测试、结合实际场景测试和手机APP综合测试。

4.1 无线模块配网测试

本系统对于无线模块是否配网成功的测试通过串口监视器实现。测试过程中，AT+FWVER指令用于查询固件版本；AT+ILOPSTATUS指令用于查看无线模块是否接入阿里云物联网平台；AT+ILOPSET指令用于查询当前绑定设备证书信息；AT+ILOPSET=a1zxx,LgQ9S6xxx,cc7a11bdexxx,TEudNfnxx 指令用于烧录云平台所生成设备证书至无线模块；AT+ILOPSTART指令用于启动接入阿里云物联网服务；AT+ILOPAWSSTART指令用于启动阿里物联网路由配网，测试使用的串口波特率为115 200。

测试过程中，串口输出值若为“OK”，表示配网成功，输出值若为“ERROR”，表示配网失败。测试表明，串口输出值均为OK，表示配网成功。

4.2 LED驱动测试

本系统对于LED的驱动测试以白光LED为例，RGB LED驱动同理。系统LED驱动均采用PWM调制技术调光，该驱动方式可以实现系统精准快速调光[19]。

测试过程中，若正向脉冲时间越长，LED亮度开始逐渐增强，且LED切换亮度时间保持在10 ms内，则表示LED驱动性能良好，反之则不然。不同占空比LED亮度测试数据如表1所示。系统设定脉冲周期T=1/156.1 Hz，即6.4 ms。由于系统采用蓄电池供电方式，所以对LED设置了功率限制，其范围在3 W内，当75%占空比输出时，LED负载功率达到3 W，因此无法全占空比输出。本设计分别对3%、16%、41%、75%正向占空比时，白光LED照明亮度百分比及亮度改变所需时间进行测试。测试表明，通过调节占空比，LED亮度逐渐增强，LED切换亮度时间均小于10 ms，LED驱动性能良好，可实现LED快速驱动。

表1 不同占空比LED亮度测试Table 1 LED brightness test with different duty cycles

4.3 实际场景测试

测试过程中，当测得太阳能板电压高于0.5 V时，LED处于关闭状态；太阳能板电压低于0.5 V时，LED开启照明，其中，白光LED开启30%照明度，RGB LED每隔2 s切换一次颜色；通过红外遥控器发送红外遥控指令和通过手机APP发送调光、调色、调速指令时，LED可快速响应指令，则表示系统设计合理、可控性强、功能多样，反之则不然。

测试时智慧庭院照明设备实物执行状态如图7所示，经测试表明，LED会按照既定程序开启、关闭及切换照明方式，系统设计切实可行。

图7 智慧庭院照明设备执行状态Fig.7 Implementation status of smart courtyard lighting equipment

4.4 手机APP测试

测试过程中，通过手机端扫码添加照明设备连接Wi-Fi后，云平台设备显示在线；手机页面显示照明设备开关、光伏开灯电压、电池电压、光伏充电电流、主灯亮度、RGB调色、彩灯控制、变色速度等数据信息；在手机页面发出相应控制指令后，照明设备可快速响应该指令，则表示手机APP可以正确激活并添加设备，完成设备一键配网，实现设备数据显示和远程控制，反之则不然。

扫码后手机APP界面提示连接Wi-Fi，密码指令输入无误后，物联网云平台设备状态显示为在线，手机APP端实时更新的照明设备数据信息如图8所示。经测试表明，手机APP可以正确激活并添加设备，完成设备一键配网，实现设备数据显示和远程控制。

图8 APP端照明设备数据信息Fig.8 Lighting equipment data on APP side

5 结论

为满足日益增长的生活需求，给人们提供更加优越的生活体验，本研究结合物联网、PWM调光、云平台管理等多种信息技术，以适用于特定庭院场景、功能多样、节能环保、可控性强为目标，设计出一种智慧庭院照明系统。测试结果表明，该系统能够准确采集环境数据并根据环境数据自动开关照明功能，能够通过手机APP人机交互界面显示设备参数值，实现远程控制照明设备，能够把LED亮度切换时间控制在指标范围10 ms内，能够通过红外遥控器实现近距离人机交互控制。系统的设计除可以用于日常智能照明外，还能以快速调节照明LED色彩色温的方式供家庭聚会、朋友聚会、娱乐场景使用，实现真正意义上以庭院为应用场景的智慧照明。本设计也可应用于现代城市“社区公园”中。