LED智能照明控制系统的技术研究及实现Word文件下载.docx
《LED智能照明控制系统的技术研究及实现Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED智能照明控制系统的技术研究及实现Word文件下载.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
传真：
申报日期：
201X年X月X日
一、项目实施的背景和意义
LED照明产品比传统照明节能80%，经过近十年的迅速发展，LED照明占照明产品的份额已达到30%以上，照明产业的格局发生了巨变。
传统照明无论从技术上还是用户体验上，都明显落后于LED照明，随着生活水平的提高，消费者对照明的要求越来越苛刻。
以往人们对照明的要求很简单，只要能实现基本的照明功能，而现在，除了要求其能点亮之外，还要求其能调光、调色、甚至能根据周围环境自动调节。
LED是一种定向的固态光源，具有环保节能、寿命长、可调光调色等优点，结合目前广泛使用的WiFi和低成本Zigee技术，可实现利用手持Android终端设备对LED灯具进行远程控制。
因此，基于WiFi和ZigBee的LED智能控制系统的技术研究及实现现具有广阔的前景[1]。
该项目来源于市场需求，LED是一种非常节能的照明产品，它比传统的卤素灯要节能80%，且基于其发光原理，它可调节亮度和色温，基于这些特点，LED照明受到了广大消费者和厂商的热捧，LED照明行业进入了黄金发展时期，由于资本的逐利性，LED照明产品也进入了价格混战的时代，产品同质化严重，尤其是现阶段网络的普及及智能家居越来越走进百姓寻常家，单一的基础照明已经不能满足人民日益增长的物质需求，普通的LED照明产品利润率也偏低，基于这种市场状况，开发一种适合网络时代且容易被消费者接受的LED照明产品——智能照明显得极为迫切。
随着LED照明市场的增长，应用的场合也越来越广泛，而调光的需求日益旺盛。
传统DALI的调光标准，需要增加控制信号线，工程实施复杂，增加了工程改造的成本。
本无线系统兼容了传统的灯具布线方式，无需增加额外控制信号电缆，通过无线信号，控制灯具，在改造或新建照明项目均可使用。
同时该照明网络可以接入到互联网、局域网，通过移动设备，实现远程、本地的控制。
随者互联网、无线局域网、手持引动平台的快速发展，无线设备的成本急速下降，因此系统的成本愈来愈低，应用前景广阔。
技术发展趋势及国内外发展现状
国外的一些照明厂商的智能照明定位比较高端，价格偏贵，造成其不能广泛普及的局面。
在信息革命时代，国内智能照明制造商飞速的发展起来，传统的有佛山照明、索恩照明、飞利浦、欧司朗等著名厂商，也有小米、华为、普联等通讯企业的跨界加入。
网络技术的快速发展，让数字智能家居的出现成为可能，未来，人们无论身在何处，只要能联通网络，就可以控制家里的每一样设备。
智能照明作为为智能家居的重要组成部分，受到很多智能家居厂商，如IBM，微软，海尔，三星，松下，西门子等一大批跨国公司的热捧。
仅在深圳地区，就有上千家大大小小的厂商涉及智能家居行业，智能家居已经涉及通信、网络、家居建材、安防等行业，深受大众的期待。
目前市面上比较常见的无线照明控制有：
红外线技术、WiFi技术、ZigBee技术、蓝牙技术等[3]。
国内之前比较常见的是红外遥控技术，但随着LED灯具的普及，WiFi及ZigBee、蓝牙控制技术在灯具上的应用也日趋普及，目前国内外外的一些知名照明厂商则更倾向于WiFi加蓝牙/ZigBee技术可远程控制的照明控制系统，比如飞利浦照明的Hue智能照明控制系统、小米的智能家庭控制系统。
目前，随着中国十二五规划中关于节能减排的规定及发改委《半导体照明节能产业的规划》的发布，LED光源将成为照明产品的主导力量。
表1-1为几家国内外公司的无线LED灯具照明系统的性能对比表。
表1-1几家国内外公司LED照明控制系统的性能对比表
厂商性能
调光
调色
无线控制方式
远程控制
飞利浦Hue智能照明控制系统
可以
WiFi加蓝牙
欧司朗Lightify照明控制系统
小米智能家庭控制系统
桑达智能照明控制系统
WiFi加ZigBee
二、项目主要研究内容
本项目设计了一种基于WiFi和ZigBee技术的照明控制系统，该系统由ZigBee终端节点（FFD）、WiFi模块与ZigBee模块组成的网关、安卓手持终端设备（手机）三大部分组成。
FFD嵌入到LED灯具中，通过ZigBee信号与ZigBee协调器通信，安卓手持设备则通过WiFi信号与WiFi模块通信并接入互联网。
基于ZigBee网络协议和JN5168无线微控制器，搭建网状拓扑结构的ZigBee网络，用于LED灯具上的终端节点与协调器的通信。
基于以Linux为内核的OPENWRT系统和RT5350无线微控制器，编写适合RT5350的网卡驱动，并移植网络通信协议，搭建WiFi路由系统，WiFi路由系统通过USB与ZigBee模块连接通信。
Android灯控系统基于eclise平台开发，包括登陆系统与灯控系统的设计，登陆系统涉及到数据库SQLite的操作、Button和seekbar等控件的设置，灯控系统的核心部分是与路由通信的实现。
整个系统由安卓手持终端设备发出WiFi信号，WiFi路由接收信号并与ZigBee协调器通信，再由ZigBee协调器发出ZigBee信号控制终端节点，终端节点通过PWM接口控制，实现调灯的功能。
ZigBee兼容产品的2.4GHz，2.4GHz免费且开放，可以全球通用，2.4GHz频率段里共有16个传输通道，每次通信前，都会重新计算路径，且能够自动识别最优通道来通信。
可根据实际应用来选择网络的拓扑结构，星型网络最简单，但网络最不稳定，因为网络中的设备都只能通过中央协调器通讯，一旦中央协调器出现问题，整个网络就会崩溃。
网状网络结构最复杂，允许接受路由，路径可自组织，并且具备自愈功能，网络组建之后，它们之中的任何一个设备发生故障，信息可以自动选择其他路径进行通信。
在ZigBee网络中运行一个应用程序，每个节点都有它对应的功能角色。
大多数ZigBee网络包含三种类型的节点：
协调器、路由器、终端节点。
系统选择网状拓扑结构网络，每一个具有路由功能的终端节点分别嵌入到一盏灯内，终端节点加入网络后，协调器会分配一个单独的网络地址到每个节点，Android终端设备利用App通过无线WiFi发送指令给协调器，协调器将收到的命令通过ZigBee信号发送到各个节点。
系统的网络构造如图2-1所示：
图2-1系统的网络构造
采用JN5168无线微控制器，搭建网状拓扑结构的ZigBee网络[4]；
该网络用于LED灯具上的终端节点与中央协调器之间的通信[5]。
基于以Linux为内核的OPENWRT系统和RT5350无线微控制器，编写适合RT5350的网卡驱动，并移植网络通信协议，搭建了WiFi路由系统；
WiFi模块通过USB与ZigBee模块通信，Android灯控系统基于eclise平台开发，包括登陆系统与灯控系统的设计，登陆系统涉及到数据库SQLite的操作、Button和seekbar等控件的设置，灯控系统的核心部分是通过与路由通信的实现。
基于PWM的调光调色技术，LED从上本质讲是一个发光二极管，它可以实现快速开关，它的微秒级切换速度是任何发光设备无法与之相比的。
因此，只要保证输出为恒压源，通过改变脉冲的宽度，就可以改变亮度。
这就是脉冲宽度调制（PWM）调光方法。
图2-2显示了这样一个脉冲宽度调制的波形。
脉冲宽度为ton，那么其工作比D（或称为占空比）就是ton/tpwm。
只要改变脉冲占空比，就可以调节LED的亮度。
PWM调光的实质是调节占空比，高电平可以认为LED状态为开，低电平可以理解为LED状态为关，这样LED实际是处于快速开关的状态，所以如果开关的频率过低，人眼就可以感受到灯光闪烁。
通过对一路单色温单颜色LED进行PWM控制，可以实现亮度的调节，通过对两路以上的不同色温的LED进行PWM控制，则可以实现色温的调节。
图2-2系统简化图
本项目根据ZigBee局域网控制及PWM调光调色技术的研究现状及相关应用的情况进行了分析总结，结合所要实现的功能，做了以下工作。
（1）了解ZigBee局域网的组网方式及工作模式，组建基于ZigBee协议的网状拓扑结构网络；
（2）了解WiFi模块的功能和实现原理，WiFi模块和ZigBee模块之间的通讯协议，完成两个模块组成的网关设计；
（3）基于以Linux为内核的OPENWRT系统和RT5350无线微控制器，编写适合RT5350的网卡驱动，并移植网络通信协议；
（4）了解Android的开发过程，设计基于Android的灯控系统App；
（5）对完成的系统进行了网络接入、节点PWM输出、分组调光几个方面的测试。
本项目的主要创新点是：
本系统基于ZigBee协议和广泛使用的无线WiFi局域网，利用手持安卓设备，通过网关与终端节点的设计，采用PWM调光技术，实现了LED照明远程控制的目的。
该系统可以对每个灯进行单独控制，能够调节亮度、色温、颜色等线性参数，可以根据用户的习惯和实际需求，对灯具进行分组控制，设置不同的场景模式、分时段自动调节等。
该系统中的网关预留了WAN和LAN接口，可以连接互联网和局域网，任何一台接入该局域网或者互联网中的电脑只要设置了权限，就可以控制该系统，还可以通过其他移动终端实现远程控制。
三、项目预期目标
3.1技术设计指标
表3-1技术设计指标
序号
项目
技术指标
说明
1
LED面板灯
40W，恒流驱动，光源效率大于100lm/W
2
基于物联网的智能控制系统
1、单灯控制器
终端节点（FFD）
FFD嵌入到LED灯具中，通过ZigBee信号与ZigBee协调器通信
2、WiFi模块与ZigBee模块组成的网关（ZigBee协调器数传终端）
通过ZigBee模块无线实时监控每一盏面板灯的工作情况，并把ZigBee转成或以太网信号，向主站发送路灯的状态信息。
3、PC/安卓手持设备（APP）端
收集网关发送过来的带有面板灯工作状态的数据信息，控制整个照明系统的面板灯。
作为通用电器，必须遵守电源对它的考核要求，这样才能保证供电系统的正常运行并且能保持较高的供电效率。
考核标准有见表3-2：
表3-2参考标准
GB50034-2004
《建筑照明设计标准》
GB7000.1－2002
《灯具一般安全要求与试验》
GB7248－1987
《电光源的安全要求》
GB/T11470－1989
《电光源产品质量分等分级指标》
GB14196－1993
《普通照明灯泡的安全要求》
GB15039－1994
《发光强度、总光通量标准灯泡》
GB19510.1-2009
《灯的控制装置第1部分:
一般要求和安全要求》
GB19510.14-2009
《灯的控制装置第14部分：
LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求》
GB/T9790－1988
《金属覆盖及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验》
GB/T11373－1989
《热喷涂金属件表面预处理通则》
QB/T1551－1992
《灯具油漆涂层》
GB/T699－1999
《优质碳素结构钢》
GB/T700－1988
《碳素结构钢》
GB/T1591－1994
《低合金高强度结构钢》
GB7000.202-2008
《灯具第2-2部分：
特殊要求嵌入式灯具》
CIE127-1997
《LED测试方法》
SJ/T2355-2005
《半导体发光二极管测试方法》
限制对其他电器的电磁干扰（EMI），例如GB17743/CISPR15中的电源端子骚扰和辐
升级会员 