吕天刚，王跃飞 ，吕鹤男

(1.鸿利智汇集团股份有限公司，广东 广州 510890；2.广州市帝亚照明股份有限公司，广东 广州 510890)

引言

随着半导体照明技术的进步，以及人们对照明数量和质量的需求的提高，智能照明、健康照明越来越受到关注。如何让半导体照明技术与现代信息技术更完美地结合，充分发挥其数字特性优势，照明科研人员正在不断探索，并取得了许多实质性的进展。我们将介绍一种基于Wi-Fi无线通信技术和手机APP控制终端的LED照明控制系统设计方案，紧紧围绕照明的节能、智能、健康舒适[1]三大需求主题，开展课题研究，方法是“LED+网络+算法”，即LED为核心光源，将其与网络、移动设备、数字调制算法相结合的设计思路，具体包括：第一、基于网络局域网和手机APP技术，制定总体方案架构路线；第二、研究混光混色的原理，光色的数字调制技术，设计软件算法；第三、根据研究内容，实施系统的硬件设计、软件设计；第四、最后进行连机调试和试验验证。

1 总体方案设计

1)支持平台。智能化成为一种社会潮流,也是社会发展趋势。智能手机已经不仅仅作为一种通信工具，而是在人们的日常生活和工作中与互联网连接的智能终端。推动智能手机发展一个重要因素便是移动网络以及无线网络的发展，如今的智能移动设备能随时随地的连接网络[2]。

本设计采用Android系统为支持平台。原因有三：第一，平台开放性——开放性的安卓系统平台，聚集了大量的消费者，目前智能手机市场超过七成为Android OS系统，可谓绝对主导地位。 第二，开源系统，应用广泛——Android平台提供给第三方开发商一个十分宽泛、自由的环境，不会受到各种条条框框的困扰。产品具备触摸屏、高级图形显示和上网功能，界面友好。第三，Android的Apache License授权模式，允许开发者任意修改开放的源代码或者是开发出各种应用程序，而避免专利风险[3]。

2)通信协议。本项目中的通信协议主要完成的任务是，搭建一个信息桥梁，实现本地照明控制器、手机控制终端、网关/路由器的即时数据链接。这类接口一般采用无线短距离通信协议，主要包括：Wi-Fi(IEEE 802.11a/b/g)、Zigbee(IEEE 802.15.4)和Bluetooth(IEEE 802.15.1)三类。下面结合本研究项目具体需求，对这三类协议进行技术比较，选出适合的方案，如表1所示。

表1 技术参数对比表Table 1 Comparison of technical parameters

通过对比，三种通信技术各有优缺点。Wi-Fi技术的优点是传播速率最高、传播距离远、网络容量大，缺点是成本高、抗干扰能力一般、功耗大。然而Wi-Fi厂商开发了低功耗用的Wi-Fi模块，这样一来Wi-Fi技术不但可以用于笔记本和台式机的无线上网，同时也能用于手机的无线上网[4]。ZigBee的优点是网络容量大，功耗低，成本低、带控制功能，缺点是传输速度慢。这对于需要无线监控的物联网来说至关重要[5]。蓝牙的优点是抗干扰能力强、成本低、功耗低、传播速率高，缺点是传播距离短、网络容量小。所以它一般用于高速且节点少的WPAN中[6]。

3)总体方案架构。本控制系统的总体方案，是基于本文设计需求分析、设计目标的关键系统平台分析，结合现有计算机技术而制定的。同时，在具体实施过程中，对系统和各个细节部分进行了技术探索和创新，特别是手机APP的功能设置、控制系统的光、色、电计算编码控制等。本系统的总体方案架构图如图1所示。

图1 总体方案架构图Fig.1 Overall schema diagram

2 硬件设计

硬件电路设计为LED照明控制系统设计的核心工作之一。由于下达指令的人机交互界面在手机端运行在独立的APP上，因此涉及到硬件设计的部分主要为控制对象设备终端，也就是LED照明设备的硬件电路。

1)驱动器电路。LED照明设备中的驱动器，其功能是为LED照明设备提供驱动电源，具体来说就是将220 Vac高压交流电市电转换成稳定低压直流供电，匹配设备中的低压直流负载，为其提供正常工作所必需的电源。作为LED照明的核心部分，LED驱动电源直接决定了LED灯的可靠性[7]。根据本项目的负载分析结果，驱动电源设计为恒压输出，且电压为24 Vdc最为合适，输出功率为LED电路负载与控制器电路负载之和，计算得29.82 W。考虑到LED负载前端恒流驱动和控制器电路驱动转换效率，以及电路元器件差异等，为电路增加10%～15%的设计裕量。从而实际功率输出上限设计为35 W。结合项目需求，在分析、计算及驱动方案收集、整理的基础上绘制驱动器硬件电路原理图。

2)控制器电路。控制器电路主要由负责电源转换的IC驱动电路、负责无线收发的Wi-Fi电路、负责信息处理的MCU微型处理器、负责信息采集的传感器，以及其周边电路组成。Wi-Fi模块采用乐鑫信息科技有限公司的ESP8266型号Wi-Fi芯片。ESP8266串口Wi-Fi芯片拥有高性能无线片上系统，较高的实用性和低廉的成本是它的优势。ESP8266不仅可以嵌入到其他硬件设备中作为附属设备，也可以作为主控芯片控制外设和传输数据[8]。根据项目设计目标和总体方案，该控制系统电路共分为DC/DC电路、Wi-Fi功能单元、单片机及外围电路、传感器电路、输出信号放大电路等五个部分。

3)LED电路。LED电路根据功能又划分为三个部分：恒流单元、执行单元和 LED负载，如图2所示。

图2 LED电路原理图Fig.2 Schematic of LED circuit

3 软件设计

1)设计规划。本系统软件设计阶段的工作任务是开发出稳定运行于手机端的APP软件和运行于LED照明设备端MCU软件，即图3中的软件系统Ⅰ和软件系统Ⅱ，从而最终实现系统的原定设计目标。设计过程共分为四个部分，资源分析、需求分析、软件设计、联机调试验证。

根据本课题需求和设计内容设计目标，规划手机APP界面功能布局(见图4)。

图3 数据流图Fig.3 Data flow chart

图4 操作界面功能布局图Fig.4 Operation interface function layout

2)算法设计。本项目软件设计过程需要处理的信息包括两大部分，即，信息采集和数据加工。信息采集部分的任务内容是对各类传感器转换来的电信号进行采集和判断，主要涉及基本的电平状态0、1读取和进行A/D、D/A编解码转换后读数等的常规操作，本文不作赘述。数据加工部分的任务内容是根据手机操作端输入的指令和环境信息收集数据，计算LED混光比例，编成PWM脉冲宽度调制码值，生成PWM方波输出，为LED执行电路提供数据源，进而实现混光混色[9]。主要涉及调光调色的软件实现原理。下面对此重点介绍。

(a)算法原理。根据格拉斯曼混光原理[10]，在由两个或两个以上的颜色成分组成的混合色中，若某一颜色成分连续地变化，则混合色的外貌也会连续地变化。而任何两个非饱和色相混合产生的中间色，其色调取决于二者在色调顺序上的远近[11]。如图5所示，三角框内弧形线为黑体轨迹线。

图5 CIE 1931色度图Fig.5 CIE 1931 Chromaticity diagram

(b)模拟自然光原理。通过在色度图中对应的标准照明区域的两端分别选择一白光光源，在CIE1931色度图中对应的标准照明区域的两端之间选择至少一白光光源。这样，根据一天中不同时间点的目标日光所需要的光源要求，则可确定应当选择哪两个白光LED作为混合光源，并根据公式计算白光光源的发光量比例，通过控制器控制对应白光LED的光通量输出。

本文硬件电路设计部分，LED共分为四个支路：冷白光LED、正白光LED、暖白光LED、红光LED，分别命名为：W1、W2、W3、R0。调光调色算法过程仅讨论W1、W2、W3，红光LED-R0仅用于显色指数补偿，不在此讨论。模拟自然光[12]方法如图6、图7所示。

图6 模拟自然光混光原理图Fig.6 Schematic of simulated natural light mixing

图7 模拟自然光动态混光原理图Fig.7 Schematic of simulated natural dynamic light mixing

3)系统调制实施方案。

(a)调制方法。控制系统硬件电路的三个白光LED支路：W1——冷白光LED；W2——正白光LED；W3——暖白光LED。其脉冲周期、脉冲宽度、占空比分别定义如下：W1：脉冲周期TW1、脉冲宽度tW1、占空比DW1；W2：脉冲周期TW2、脉冲宽度tW2、占空比DW2；W3：脉冲周期TW3、脉冲宽度tW3、占空比DW3。

则我们改变DW1、DW2、DW3的大小可以调节各灯输出的光通量，改变DW1∶DW2∶DW3之间的比值可以调整灯的混光颜色。需要注意的是，颜色混合过程可能会影响灯的原设定光通量值的变化，这个异常可以通过光控电路的照度传感器实时采样环境照度变化，调用软件系统Ⅱ中植入的修正子程序，计算补偿值，对混光后的光通量数值进行修正。

(b)功能索引及编码表。根据软件系统的实现目标、原理和方法，制定软件系统Ⅰ、Ⅱ的功能索引表和调光比例表(表2)，做为软件编写的指导文件和软件内部数据对照表的数据源文件。

表2 软件系统Ⅰ、Ⅱ功能索引表Table 2 Function index table of software system Ⅰ、Ⅱ

续表2

4 设计验证

1)联机调试。联机调试验证。把软件安装到硬件中运行测试、调试，验证结果和设计目标的符合性。对系统的所有功能对照设计目标编写测试项目表，根据测试项目内容逐项测试并记录，最后整理测试结果。分别组装各子系统并安装系统软件，接通电源和Wi-Fi信号，系统连接如图8所示。依系统设计方案制定操作手册(图9)，根据操作手册试验系统的各个功能模块，并做记录。

图8 系统连接图Fig.8 System connection diagram

2)试验验证。经系统联机调试后，使用YF1000光色电综合分析系统对各项性能参数进行了测试，并做了记录。经分析，系统功能正常，各项性能指标与原设计目标一致。特别是混色混光功能，色温调节、光通量调节柔和均匀、误差小，完全符合系统预期，具备实用性。具体试验结果如表3、图10所示。

图9 系统操作手册Fig.9 Handbook of the system operation

功能区标准要求试验结果判定1)系统启动系统Ⅰ系统登录登陆正常、退出正常合格系统Ⅰ网络连接Wi-Fi网络连接正常系统Ⅱ启动启动正常、身份码识别正常系统Ⅱ网络连接Wi-Fi网络连接正常2)开关键ON: 开指示开灯正常合格OFF:关指示关灯正常3)CRI:显色性设置键colour rendering indexEC:节能模式(energy conservation)光效112 lm/W,显色指数82合格该模式下节电50%以上,显色指数70～80HC:高显色指数模式(high-color) 光效90 lm/W,显色指数95该模式下显色指数90以上,节电40%4) WM:工作模式选择键(work mode)NL:自然光模式指示(natural light)NL时,其他键均有效,且Tc/F为设定的值。GL时,自动切换到普通模式,并处理相应按键功能。即其他按键优先级均高于自然光模式。每次开机时NL复位,开始一次新的循环。关机时保存当前RI,WM,IC,TD,Tc/F设置值(NL除外),再次开机时均依上次设置合格自然光,色温自动变化,模拟白天太阳光色温的变化轨迹,不断循环GL:普通照明模式指示(general lighting)普通光,色温固定不变5) IC:智能控制切换键(intelligent control)CC:常规控制 conventional control 一般模式正常合格常规控制LO:光控指示(light-operated)光控正常光控,根据环境光线的明暗自动开灯或关灯。例如,白天关灯,晚上开灯。光控开延时0 s, 光控关延时0 s,HI:人体感应指示 human infrared induction switch 人体感应模式正常人体感应,人在开灯,人走关灯LH:光控+人体感应指示光控/热释红外复合模式正常白天关灯,晚上有人开灯,无人关灯 6) TD:定时装置(timing device)∞:非定时关灯非定时模式正常合格0.5:开灯0.5 h后自动关灯定时开关正常,误差小于2 s1.0:开灯1 h后自动关灯2.0:开灯2 h后自动关灯4.0:开灯4 h后自动关灯

续表3

图10 混光后色温曲线图(CIE 1931)Fig.10 Color temperature chart after mixed light (CIE 1931)

5 结束语

我们研究了一种基于Wi-Fi无线通信技术和手机APP控制终端的LED照明控制系统设计方案。通过试验，本方案能够实现手机端Wi-Fi网络照明控制及声、光感应和热释红外感应控制，特别是精确混光混色功能，可实现照明的节能、智能和健康舒适三大功能特点。

本文的人机交互界面偏向于照明底层参数的调节，未来可基于此方案向两个方向拓展：第一个方向是专门针对普通家居应用设计成普通家用智能照明产品，简化操作界面，如可以设计成更通俗的图形化界面，或把一系列复杂操作整合为几个简单场景操作(会客、用餐、节日等等)。第二个方向是针对专门专业照明应用领域，如演播大厅、摄影棚等，或其他对照明环境要求较高的场所，设计开发专业的照明控制系统，进行精细化控制，以满足应用需求。