一款基于物联网技术的智能照明驱动设计

李志阳，卢光义，陈育智，连光涛

（1.厦门华厦学院，福建厦门，361024；2.厦门奇力微电子有限公司，福建厦门，361000）

0 引言

LED 照明已经日益成熟，其体积小、耗能小、可控性强等特点，使得它在室内家居照明的优势日益突出。其中，LED 可控性强的特点受到了业界广泛的关注，其不仅可以有效控制亮度，亦可以控制其色温，更可以营造不同的灯光场景以满足我们更高品质生活的追求。特别是光健康方面的研究，也越来越受到室内照明工程设计的重视，这也正好需要LED 光源的可控性特点。

LED 光源的可控性需要具有与LED 驱动电源相结合的可控制电路。近年来，常见有基于单片机等技术的LED 控制电路研究，在一定程度上实现了LED 的调光、调色等控制。而随着物联网技术的发展，各种短距离通信技术的优化，越来越多的学者开始致力于实现LED 控制电路的无线化、智能化。本设计以研究成员所在公司研发的LED 驱动电源VAS 系列芯片为基础，结合蓝牙技术和WiFi 技术，设计一款LED 无线控制照明系统，并分析总电路的调光和频闪消除效果。

1 照明系统硬件设计

■1.1 系统组成

LED 智能无线照明系统主要由三部分组成（见图1 照明系统架构示意图）：

图1 照明系统架构示意图

第一部分是LED 驱动部分，由VAS1105 做LED 驱动芯片；

第二部分是供电系统，由VAS1156 提供；

第三部分是无线控制模块，本设计拟采用EВ10X 蓝牙模块。

VAS1156 是一颗高压线性 LDO，输入电压范围为 AC 85～265V，输出 3.3V，持续带载能力可达 30mA，外围应用简单。可用作智能家居、智能照明系统的 Zigbee、蓝牙、红外以及 MCU 等模块的供电。

无线控制模块部分由无线蓝牙/WiFi 模块组成，结合手机APP，可远距离控制灯具的开关和颜色切换。

■1.2 基本控制系统电路设计

该设计以单片机为核心控制，外围器件简洁，可去电源化生产，驱动部分和单片机供电以及智能调光模块控制，都是可全贴片生产，其整体应用电路设计如图2 所示。

图2 整体应用电路图

1.2.1 电源设计

VAS1156 是一颗高压低压差线性稳压器(LDO)，输入电压范围为AC 85～265V，输出3.3V，持续带载能力可达30mA，外围应用如图2 所示。其不仅可以应用于单片机MCU 的供电，还可用作智能家居、智能照明系统的Zigbee、蓝牙、红外以及MCU 等模块的供电。

1.2.2 LED 驱动电路设计

VAS1105 是市电线性恒流芯片，可设计在120V 的电路系统和220V 的电路系统，典型应用如图3 所示。

图3 VAS1105 应用图例

VAS1105 驱动电路具有如下功能：

（1）设置LED 电流，VAS1105 通过电阻RSET1可设置LED 电流，计算公式如下：

（2）过温保护，当输入电压上升时，LED 阴极电压也会上升，可能会造成芯片过热，VAS1105 解决方法如下：

①当 VAS1105 的内部温度上升到140°C，VAS1105 进入过温补偿模式，LED 电流开始随着温度的升高而减小。

②当内部温度继续上升达到160°C 时，VAS1105 进入过温关断模式，LED 电流为0，当内部温度降到130°C 时，芯片重新正常工作。

（3）调光应用，VAS1105 支持模拟调光、PWM 数字调光和可控硅调光。

①当ADJ 管脚的模拟电压为0～1V 时分别对应LED 电流的0～100%，大于1V 时输出电流不再改变。当输入调光电压较高时，可通过设置合适的电阻分压来调光。应用原理图如图4 所示。

图4 模拟调光应用图

②当使用PWM 调光时，可直接将PWM 信号接到ADJ管脚进行调光，应用原理图如图5 所示。

图5 PWM 调光应用图

（4）无频闪应用VAS1105 可搭配VAS1101 实现无频闪，并且在模拟调光、PWM 调光、可控硅调光过程中全程无频闪，具体应用原理图如图6 所示。

图6 降低频闪电路设计图

2 系统调试分析

■2.1 VASP1105 输出测试

经过测试显示，VAS1105 输出电流为5mA～60mA，可通过外围电阻设置，设计LED 负载所需要的电流。同时满足 0～1V 模拟电压调光、数字PWM 调光、可控硅调光LED 驱动方案。本设计采用数字PWM 调光方式，测试结果如图7 所示，可以发现其调光曲线已经非常接近线性曲线，能够实现较为精准的调光应用。而且使用可控硅调光时，VAS1105 内置的调光电路在输入电压比较低时抽取额外的电流以保证调光效果，在输入电压比较高时不再额外抽取电流以保证高效率，调光全过程无抖动，兼容性极佳。

图7 测试结果

■2.2 频闪消除测试分析

图8 波形：CH1：（黄色）去频闪两端吸收的电压纹波，CH3：（红色）输出灯珠电压波形，CH4：（绿色）输出电流纹波。

图8 频闪测试对比图（1）

从输出的电压来看，两者相差不大。但是从输出电流来看，可以明显发现增加了消除频闪的电路后，因为吸收了电压纹波后，输出电流变为极其平滑，已经非常接近直流输出。解决了大部分的频闪问题。为了进一步验证结果，我们又采用高帧相机进行拍摄，结果如图9 所示。

图9 频闪测试对比图（2）

测试结果发现，未增加频闪消除电路时，如图9(a)显示灯亮时用相机能够拍到有明暗相间的条纹，此为频闪，长期在此环境下工作或阅读，容易让眼睛疲劳，造成视力损害。而增加频闪消除电路后，如图9(b)所示，用高帧相机拍摄时，其亮度几乎不变，可以认为几乎无频闪。

3 无线控制模块设计

随着物联网技术的发展，各种近距离无线通信方式在各种智能控制系统中得到了广泛的应用。其中，研究较多的方式包括蓝牙技术、Zigbee 技术、无线射频技术（RFID、NFC）和WiFi 技术等。本设计采用了蓝牙技术和WiFi 技术两种常用方式进行设计制作并比较。

■3.1 蓝牙控制模式

基于蓝牙技术的控制方式，本设计直接采用EВ10X 蓝牙模块，该模块是南京奥杰科技生产的一款带有自组网能力且普遍应用于灯光照明控制系统的无线控制模块。其成本低，自组网络稳定，符合蓝牙规范，可应用于无线传感、控制及数据采集。特别是，该模块针对LED照明应用开发了专用的固件，支持开关、定时、分组、情景模式，固件无线升级，参数设置等功能。且配备手机APP 客户端，大大节省了应用的开发成本。模块可采集光强度传感器、动作传感器的信息，可以控制LED 灯、遥控器和触控开关等，实现数据的采集传递和电器件的控制。EВ10X 对外提供了1 个UART 串行通讯接口，1 个I2C 通讯接口，和5 路PWM 输出，可满足不同客户需求。其手机APP 界面如图10所示。

图10 蓝牙控制APP 界面

■3.2 WiFi 控制模式

基于WiFi 技术的控制方式，本设计采用ESP8266-01 无线 WiFi 模块。根据模块的各管脚的功能，完成了ESP8266-01 模块的电路结构，其中，4、8 脚分别接3.3 V 的电源和 GND，STM32 串口2 与模块串行通信脚相连接，ESP8266 模块1 脚与STM32 的PA3 相连（TXD 连接RXD），ESP8266 模块第五脚（发射脚）与STM32 的PA2（接收脚）相连，模块2 脚与R10 10k 电阻默认上拉，而模块则进入 AT命令模式，此时可以通过模块AT指令说明书，进行查询或者配置模块。WiFi 模块电路原理图如图11 所示。

图11 WiFi模块电路原理图

WiFi 模块ESP8266具有透明传输功能。可以先设置网络参数以建立连接，然后使用该命令进入传输模式。在传输模式下，主机通过UART 将数据传输到ESP8266，并通过无线网络发送数据。接收的数据通过 ESP8266 通过网络发送到主机。其主程序如图12所示。

图12 WiFi模式主程序流程图

首先是程序的开始运行，开机结束后马上开始初始化（初始化系统时钟、串口，初始化定时器、GPIO 端口等等）。等待初始化结束后进行程序循环，单片机会先发送AT 指令，对ESP8266模块进行系统性的配置，如果配置成功，标记为设置为1；否则，就会继续进行循环，直到成功后进行下一步。当设置结束后，LED的灯光开始闪烁。在这个时候，这个模块会检测到WiFi的连接，如果连接成功，那么就会开启通讯。设定的计时器可以将数据按时传送至手机，心跳间隔为5S，心跳是为了维持模块通讯的链接，探测链接是否中断。之后MCU 会实时解析到通过WiFi 获取到的信息，并执行对应的指令。WiFi 模块和MCU 之间的通信流程如图13 所示。

图13 WiFi ESP8266通信流程图

图14 控制子程序流程图

ESP8266 模块既可以当客户端连接其他热点，可以当服务端，开启端口让其他设备接入，本次设计将模块设置监听端口（TCP 服务端模式），并通过手机APP 进行TCP 连接。通过接收来自APP 的数据，对MCU 进行无线控制，其控制子程序如图14 所示。

其控制主要包括无线APP 操作打开和关闭灯具以及定时关闭灯具两种模式。

■3.3 两种模式调试对比

在蓝牙技术控制模式的调试中，我们主要做了一对一的灯具控制模式，优势在于几乎没有时延，界面操作也比较直观。但是其一对多的操作则比较不方便，其形成的微微网并不是真正的MESH网络，且在蓝牙配对上有一定的先后顺序。而Wi-Fi 的组网则更为简单，且可以与互联网结合，形成更远距离的控制，其在组网或一对多控制的情况下有较明显的优势。

4 结束语

本设计结合近距离无线通信技术设计了一款基于物联网技术的LED 驱动电路，实现了无线控制和可调光技术。在驱动电路测试方面，测试结果表明，电路不仅能够实现更稳定的直流电源，且可以根据各种LED 照明系统进行输出电路匹配设计，同时实现了较为精准的可调光技术可供照明系统进行调光方式的选择。此外，本次设计针对频闪对眼睛的危害问题，设计了一款频闪消除电路，在VAS1105 上搭配VAS1001，测试结果表明该设计能够满足无频闪要求，无传导辐射问题，适合各类调光应用的需求。

在无线控制上本文比较了蓝牙技术和Wi-Fi 技术两种方式，发现WiFi 技术的优势更为明显。