LED智能照明控制系统的技术研究及实现Word文件下载.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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Light

6、ify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RT53

7、50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2.4 GHz，2.4GHz免费且开放，可

8、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

9、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e

10、clise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

11、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

12、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

13、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1LED面板灯40W，恒流驱动，光源效率大于100lm/W2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

14、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GB 7000.12002灯具一般安全要求与试验GB 72481987电光源的安全要求GB/T 114701989电光源产品质量分等分级指标GB 141961993普通照明灯泡的安全要求GB 150391994发光强度、总光通量标准灯泡GB 19510

15、.1-2009灯的控制装置 第1部分: 一般要求和安全要求GB 19510.14-2009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/T 97901988金属覆盖及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验GB/T 113731989热喷涂金属件表面预处理通则QB/T 15511992灯具油漆涂层GB/T 6991999优质碳素结构钢GB/T 7001988碳素结构钢GB/T 15911994低合金高强度结构钢GB 7000.202-2008灯具 第2-2部分：特殊要求嵌入式灯具CIE127-1997LED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