基于物联网和软件电源技术的照明控制系统

王 学

（深圳市镭润科技有限公司，广东 深圳 518060）

0 引 言

随着LED光源技术和物联网技术的快速发展，将LED光源技术与智能传感器网络、物联网技术以及软件电源技术结合，通过实时监测环境智能分析工作场景，利用软件调节光源亮度，可最大程度实现系统性节能照明。

目前，基于物联网的照明控制系统的设计路线主要是通过WiFi、ZigBee、LoRa以及NB-IoT等网络集中管理控制光源，对光源亮度级别控制和整体成本控制的关注相对较少[1]。使用成熟的无线传输芯片可显著降低系统成本，并通过软件电源技术灵活控制光源亮度，配合智能算法分析，可有效降低无用功耗，同时提高整个系统的节能效果。

1 系统方案组成

1.1 系统架构

照明控制系统由智能灯具（灯具传感器）、光源控制网关、光源控制智能云平台以及客户端控制界面4部分组成，如图1所示。

图1 系统组成框图

系统的主要工作流程分为3个过程。首先，灯具传感器获得灯具周围的环境信息和环境改变量，通过2.4G慢跳频组网技术传输给光源控制网关，由各个光源控制网关将数据通过以太网传输给云平台处理。其次，云平台实时检测光源控制网关传输来的传感器数据，通过模糊计算等智能决策，根据客户设置的照明策略生成相应的照明方式响应过程。最后，云平台通过以太网将照明响应过程发送给各光源控制网关，光源控制网关通过2.4G慢跳频组网传输给灯具传感器，灯具传感器根据命令实时调整灯具的开关和亮度[2]。

1.2 智能灯具（灯具传感器）

智能灯具（灯具传感器）集成了传感器、通信模块以及软件电源功能的照明设备，可通过红外线、超声波以及光照传感器采集当前灯具所处位置的光照、行人及车辆信息，并通过通信模块发送给光源控制网关，从而响应智能云平台发来的命令，控制光源的亮度和开关等。通信部分使用成熟的2.4G物联网芯片，通过2.4G慢跳频组网技术实现自组网的双向通信和广播信息，实现信息在低码率下的快速交互。软件电源功能通过微处理器（MCU）调节LED电源的恒流和恒压输出，实现无级调节控制光源亮度，并灵活调整照明亮度，使光源控制智能云平台的光源控制要求实现最优化。

1.3 光源控制网关

光源控制网关可以控制灯具传感器组网，将接收到的传感器信息传输给光源控制智能云平台，并将响应过程广播给灯具传感器。

智能灯光控制网关选择STM32F417作为主芯片。该芯片是最高运行频率168 mHz的Arm Cortex-M4F 32-bit RISC芯片，具有以太网和SDIO等丰富的接口。该芯片上具有鉴权模块、传感器通信模块、传感器组网模块、智能决策处理模块、控制决策模块、计费运营模块、数据统计模块以及云平台接口等多个功能模块。

智能灯光控制网关需要实现传感器网络的组网控制、与传感器网络间的数据交互、传感器网络和用户的鉴权控制、对节电耗电的计费运营控制、数据智能决策处理、统计处理数据以及云平台接口通信等多项功能。

1.4 光源控制智能云平台

光源控制智能云平台是整个智能照明控制系统的控制中心，接收光源控制网关上传的灯具传感器的数据，通过传感器状态和客户端设置的响应策略，用人工智能的辅助手段计算响应过程，然后通过控制网关将命令下发给灯具传感器进行处理。

因为每个智能灯光控制网关的计算能力有限，所以需要将数据通过云平台接口传输给光源控制智能云平台。云平台获得每个项目和客户的数据后，通过模糊计算和神经网络等智能决策技术，计算人体、车辆检测的最佳阈值及灯光控制的最佳亮度等信息。根据计算的阈值，生成不同的控制策略。

1.5 客户端

控制客户端给出系统的控制接口，用户可通过客户端查看当前系统状态、修改照明策略以及查看节能效果等。可在施工阶段进行布局设计和初始数据设置，在施工调试和使用过程中根据实际情况改变照明策略，监控控制系统状态，如当前整体耗电情况、灯具的运行状况以及是否有坏灯等。此外，还可以查看使用LED光源产生的计费情况。

2 关键技术

2.1 2.4G慢跳频组网技术

系统中的传感器网络通过2.4G FSK通信技术实现，技术简单可靠且成本低廉。未应用避免冲突的载波多路侦听技术（CSMA-CA）时，需要解决同频载波冲突问题。使用慢跳频组网技术可以解决这个问题，可快捷有效地实现传感器网络的通信。

应用慢跳频组网技术时，每个通信模块都可以工作在半双工模式下，既可以发射又可以接收，同时有88个频点可以选择。正常工作时，传感器作为接收端使用，每5.28 ms切换1个接收频点。当有数据要发送时，在F1、F2、F3上分别发送，每次发送3组，每组内每个频点发送3次，即F1F1F1F2F2F2F3F3F3、F1F1F1F2F2F2F3F3F3和 F1F1F1F2F2F2F3F3F3。每组数据发送耗时5.28 ms，发送完所有数据约需16 ms。数据发送和接收的时序如图2所示。

图2 慢跳频时序

图2中，接收1恰好在合适时间接收到发送的所有频点，理论上最多可以接收到9个有效数据。接收2～接收6分别描述在不同范围内的接收情况，理论上最多可以接收到8个数据。由于这8或9个数据的内容完全一致，接收端仅需要判断数据相同并处理一次即可。发送端发送的数据中，字节Rf_Index是发送数据的序号，命令格式如图3所示。

图3 命令格式

2.2 软件电源技术

软件电源技术采用可以快速配置调整输出电流值的软件电源模块，通过微处理器STM8S10X设置电源的输出电流值，从而控制灯具的亮度。软件电源原理如图4所示。

图4 软件电源原理框图

图中①为处理器，通常为1个带有AD/DA（或PWM输出）功能的单片机。该处理器接收程序预先设定的电压、电流以及外部数据接口发送来的电压和电流，输出用于控制电源输出电压的设定电压Vset和用于控制电源输出电流的设定电压Iset。其中，Vset输出给电压反馈环路②，Iset输出给电流反馈环路③。Vset和Iset均为特定电压值，包含设定输出电压和输出电流的信息。

电压反馈环路②为一个闭环放大器，其输入量为处理器的输出电压Vset和输出的采样电压Vsense，输出量为Vfb，与Ifb一起输给开关电源控制电路⑤。电压反馈回路的工作原理是比较Vset与Vsense，并输出Vfb给开关电源控制电路⑤，改变开关电源输出电压，从而使Vsense与Vset达到预期的对应关系。如果Vset与Vsense为1：10的关系，则当Vset为1 V时，Vsense为10 V环路才能达到平衡。如果Vsense不满足10 V的条件，该环路输出的Vfb将作用在开关电源控制电路⑤上，使其调整输出电压，进而使Vsense稳定在10 V。通过该环路实现输出电压Vset和处理器设定电压Vset变化的对应关系，从而实现电源的输出电压通过处理器可控。

电流反馈环路③与电压反馈环路②的工作原理一致，同样为一个闭环放大器，输入量为处理器输出的Iset和输出的采样电流Isense，输出量为Ifb，与Vfb一起输出给开关电源控制电路⑤。电流反馈环路的工作原理是比较Iset与Isense的值，并输出Ifb给开关电源控制电路⑤，改变开关电源输出电流，从而使Isense与Iset达到预期的对应关系。通过该环路可以实现输出电流Iset和处理器的设定电压Vset变化的对应关系，从而实现电源的输出电流通过处理器可控。

电压控制环路②和电流控制环路③的输出量Vfb和Ifb相加后输出给开关电源控制电路⑤，用于控制电路的输出PWM占空比和开关频率，进而驱动开关变换/整流滤波电路⑥，通过输出检测电路⑦输出采样电压Vsense和采样电流Isense，分别提供给电压反馈环路②和电流反馈环路③。开关变换/整流电路⑥经过输出检测电路⑦后形成电源输出，用来给负载供电。

输出检测电路⑦输出的Vsense和Isense也可以输出给处理器①，用来监测当前电源的实际输出电压和实际输出电流，判断电源的工作状态。输出给处理器①的Vsense和Isense信号无需参与输出电压和输出电流的闭环控制。

实际应用中，电压控制环路②和电流控制环路③中通常只有一个达到锁定状态。电压控制环路②锁定时，电源工作在恒压输出状态；电流控制环路③锁定时，电源工作在恒流输出状态。这两种状态可以根据负载的情况转变。在恒压状态下，如果负载电流升高并达到输出电流设定值，则转为恒流输出状态；在恒流状态下，如果输出电压升高并达到电压设定值，则转为恒压工作状态。

3 结 论

系统设计完成后，对各组成部分进行软硬件开发和测试。测试结果表明，本系统设计可靠稳定，组网方式灵活，使用方便，不仅能显著提高控制系统对照明环境的适应能力，还能提高照明控制系统的能效，降低系统的组网成本。