摘  要：对物联网技术进行了研究，分析了传统非智能照明现状，进行了物联驱动设计，提出了以RL78/I1A主控芯片为核心、可实现实时监测、精准控制、智能照明的系统方案。分别由感知、控制、网络和综合应用四层组成，支持ZigBee、以太网等多种通信协议，基于智能网关、现场智能硬件、信息采集模块及完整通信协议，可对LED灯颜色、饱和度、亮度、开关进行分组调控。经调试，系统调光曲线平稳，谐波失真、功率能耗指标优异，拓展性强，具有较好的推广性。

关键词：物联网架构;模块化设计;智能照明系统;RL78/I1A单片机

中图分类号：TN929.5          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0168-03

Abstract： This paper studies the Internet of things technology， analyzes the current situation of traditional non intelligent lighting， designs the IOT drive， and puts forward a system scheme with RL78/I1A main control chip as the core， which can realize real-time monitoring， accurate control and intelligent lighting. It is composed of four layers： perception， control， network and comprehensive application. It supports various communication protocols such as ZigBee and Ethernet. Based on intelligent gateway， on-site intelligent hardware， information acquisition module and complete communication protocol， it can group regulate the color， saturation， brightness and switch of LED lights. After debugging， the system has stable dimming curve， excellent harmonic distortion， power consumption index， strong expansibility and good popularization.

Keywords： Internet of things architecture; modular design; intelligent lighting system; RL78/I1A single-chip microcomputer

0  引  言

照明系统是智能家居领域最为重要的组成部分，随着科学技术快速发展，如今人类对于照明系统的要求已不再是传统、简单的视觉层面的明暗表现，而是变为对富有美感、极具智能化照明方案的极致追求[1]。当下LED照明已进入智能时代，越来越多的人开始考虑如何节约电能，享受多样化照明功能带来的时尚美感与舒适性，提高照明系统实用效率。但是，传统的照明系统功能单一、能耗高、线路烦琐，无法满足智慧生活高品质要求[2]。物联网的出现，让Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IOT等无线通信技术的融合成为可能，本研究基于物联网为架构，提出一种基于RL78/I1A方案可实现精准控制、实时监测、智能照明的智慧系统控制策略，设计了一款基于物联网环境下的智能照明系统。

1  系统总体控制方案

1.1  设计原理

“照明”是人类生活的基本需求，随着物联网技术快速发展与变革，智能化LED照明在医学抗抑郁症治疗（情绪调节）、家庭氛围调节、景观照明以及智能楼宇照明控制等方面实现了广泛应用，但是对于智慧生活家庭而言，智能化LED照明更需要控制方案的个性化与集成化，比如，传统的灯具使用寿命短，对环境和人体污染危害大，所以设计一款能实现灯光软启动、强弱调节、定时控制以及场景设置等多样化功能的LED灯控制方案就十分重要[3]。基于此，本研究基于物联网四层架构，应用现代网络技术、传感技术、智能控制技术以及自动软件技术等，将感知层、控制层、网络层及综合应用层集成到一体，以单片机为核心，由各种传感器、智能照明终端和网络通信终端等，组成了可完成对灯的亮度、颜色以及周围环境进行智能感知与实时监测控制的各级智能硬件和网关，然后借助网络及现场控制软件，实现对照明系统的远程综合控制，智能照明方案拓扑图如图1所示。

1.2  系统架构

如图2所示，本系统采用模块化设计思想，主要由感知层、控制层、网络层和综合应用层四层组成，同时可支持ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议，借助物联网智能网关，可实现对上述多种通信协议的互换，同时还设计了同时支持人体传感、红外测距传感以及光敏传感、声音传感的多种智能传感器，在支持对LED灯光远程控制与智能控制基础上，让本系统应用场景和方案更加广泛[4]。

2  硬件功能設计

本智能照明系统硬件控制器采用RL78/I1A系列单片机，各级控制器分别由智能网关硬件模块、现场控制智能硬件、信息感知与采集模块三部分组成，其中，智能网关硬件模块采用38引脚，现场控制智能硬件采用30引脚，信息感知与采集模块硬件控制器采用20引脚。为了有效增强上述三个不同级别智能控制器对本照明系统现场和远程控制的可兼容性与统一性，本研究采用同一系列单片机来对各级控制器进行集成，既缩短了系统硬件模块开发时间，节省了成本，又减少了开发工作难度，更重要的是有效实现了本系统各级控制器之间的无缝协同控制工作[5]。

2.1  智能网关硬件模块

智能网关硬件模块是现场ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议之间实现顺利转换的中枢，它分别包含串口拓展模块、主控芯片模块以及各通信硬件协议栈三大结构，可支持对上述协议的智能鉴别与转换。其中，智能网关硬件中的主控芯片采用国产GM8125芯片，由于主控芯片外设资源较多，但该模块只有三个串行口，为了丰富串口扩展器，该芯片将主控制器三个串行口一扩为五，共有15个串行口，而每个主控芯片均与GM8125一扩五芯片相连，构成不同的硬件协议栈，然后基于每个串行口端口地址来针对不同的硬件协议类型进行有效识别，由此顺利实现对对应层中相关的软件模块控制程序数据进行解析[6]。因本智能照明系统RL78/I1A单片机有专用引脚，且支持DALI协议，因此主控芯片直接连接RL78/I1A单片机的DALI硬件协议栈，而无须通过GM8125串口扩展芯片。

2.2  现场控制智能硬件

基于物联网架构的智能照明系统现场控制智能硬件主要负责的工作内容是：

（1）采集信息感知层的相关信号;（2）按照系统预设阈值和用户的控制决策指令，对各类使用场景中的智能LED灯进行远程和现场智能控制;（3）作为远程服务器终端，对系统智能网关硬件模块上传的控制命令信息进行分析和存储，从而实现对智能LED灯的调控。

在上述功能开发基础上，本研究在硬件设计过程中，同时还在现场控制智能硬件的信息感知层设计了异常报警功能模块，当用户智能家居使用场景中的电源供电不足或者电路发生异常时，系统的信息感知层通过收集异常故障信息，主动发起通信，通过Wi-Fi即可实时给用户或者安全操作员及时发送相关的故障信息及报警指令。

2.3  信息感知與采集模块

信息感知层主要工作是采集现场周围的环境信息，然后针对智能家居环境中采集到的信息进行预处理，并实时传给现场控制智能硬件模块，经过对感知信息的进一步处理与分析，实现对LED照明系统的智能化控制。本系统的物联感知层可同时感知智能家居周围环境中的红外信号、光敏源、声音源、人体健康信息等，基于感知层的数字传感器，采集上述信息，然后通过与控制器相连接，从而直接经过串口进行相关数据传送[7]。

3  软件控制流程设计

本智能系统软件模块分别与该系统物联网架构中的感知层、控制层、网络层和应用层相对应，由于本系统可同时支持ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议，因此本研究开发制定了一套能够同时针对智能LED灯进行亮度控制、颜色调节、延迟开关灯控制以及饱和度设置的完整的智能灯控系统通信协议[8]，该通信协议接口简单，可预设不同的用户情境模式，并支持远程访问，可对智能LED灯组进行分别控制，较好地覆盖和满足了现代人工智能照明领域所有的智能照明控制功能，如图3所示为本智能系统软件模块主控程序发起的即时通信的控制程序。

4  系统测试

在完成上述所有硬件与软件设计任务之后，为了确保本智能系统能够实现安全、经济、可靠运行，本研究将对系统硬件部分及软件部分分别进行功能测试。本系统测试平台包括示波器、PC、串口调试软件、万用表以及智能手机、网络调试助手等。

4.1  硬件测试

本系统硬件功能模块测试主要分为PWM调光测试、声音传感器测试、红外模拟测试以及Wi-Fi通信测试四部分内容。由于调光功能是物联网架构下智能照明系统基本功能的重要体现，所以本研究主要使用万用表针对电位器两侧的电压及灯组使能端电压相关变化情况进行测量，由此检测和判断RL78/I1A系列单片机PWM波的输出情况。测试结果表明，电位器与智能LED灯输入端电压基本保持相同的变化，PWM调光测试结果符合系统灯控设计要求，如表1所示。

4.2  软件测试

硬件测试之后，搭建整机测试平台，将无线调光系统操作软件安装于智能手机中，本研究选用的BLE Mesh模块为鼎芯开发设计的DXW520，该模块同时搭载了配套的Andird和IOS操作应用软件，所以用户可接入私有云实现对智能照明系统进行无线组网调节和控制。

以ISO系统为例，安装相关版本应用软件，打开智能手机中的APP MeshLed-E，此时系统会自动进入BLE Mesh组网控制界面，只需等待设备进行自动扫描和识别，即可登录操作软件。在软件内部，用户可以根据自己需求设置相应的应用状态与控制情景，在灯具控制界面还可对灯具名称进行自由修改，也可设置闹灯，设定灯具固定闪烁频率。在调光界面，APP还可根据系统提前烧录的固件信息来判断灯具功能，然后进行自定义设置，比如在2 200 K～5 500 K区间范围内自由设定灯光亮度，调节白光、彩色氛围光等RGB三基色，也可实现延时开关灯与待机操作，在实际使用时，用户也可根据自己的个性化需求，在场景设置中设置和添加自己想要的场景，比如冷白、温和、夕阳、晚餐、看电视、娱乐等氛围，营造不同的使用智能家居体验。

5  结  论

本研究基于感知层、控制层、网络层和综合应用层四层架构的模块化设计思想，开发设计了一款集智能网关、现场控制智能硬件、信息采集模块为一体的物联网智慧照明系统。经过对LED智能照明系统分别进行电性能、电气指标、调光、待机功耗优化及无线组网操作测试，结果表明，本系统在1%～100%的调光范围内，系统的待机功耗极低，电气性能的各项技术指标表现优秀，系统各软硬件模块的组网功能、调光线性度和兼容性参数均满足实际应用要求，本系统还可根据用户需求进行容量扩展，更加节省硬件资源，便于后期升级维护，且基础照明、物联网通信以及服务控制等各项功能运行可靠，满足设计要求。

参考文献：

[1] 谭云月.一种基于物联网技术的智慧路灯系统设计 [J].物联网技术，2020，10（3）：112-113+117.

[2] 贾志宏.基于蓝牙5Mesh和GPRS网络的智能照明系统设计 [J].物联网技术，2020，10（5）：95-97+100.

[3] 吕辉，车辉，杨波.基于物联网的智慧照明系统设计 [J].智能建筑与智慧城市，2020（11）：112-113+117.

[4] 耿达.基于物联网楼房照明系统设计和实现 [J].软件，2018，39（12）：222-225.

[5] 王蓓，彭吉琼，邓国印.基于NB-IoT的智慧照明系统设计 [J].现代信息科技，2019，3（19）：194-196.

[6] 刘芳娇，王琦，胡海华.基于物联网的LED室内照明系统设计趋势探讨 [J].中国高新技术企业，2016（16）：23-24.

[7] 罗乐.基于物联网的智能LED照明集中控制系统 [J].沈阳工业大学学报，2018，40（4）：453-458.

[8] 胡娅娅，李亚亚.基于物联网的教学楼照明自动控制系统研究 [J].河北北方学院学报（自然科学版），2017，33（3）：47-51.

作者简介：包佳佳（1983.03—），女，汉族，江苏南京人，讲师，本科，研究方向：电子电工、物联网。