導讀：本系統(tǒng)由四個分系統(tǒng)組成，具體分別是太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)、調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)上位機集中控制與信息反饋平臺系統(tǒng)，具體應(yīng)用以及實現(xiàn)方法請看本文解析。
本篇文章主要講解節(jié)能型智能控制的LED照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成、應(yīng)用以及實現(xiàn)方法，以辦公或住宅照明為控制平臺，兼?zhèn)涮柗獍l(fā)電、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化并集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制為一體，來創(chuàng)造高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的辦公或居住的照明環(huán)境。
LED照明已走進人們的工作和生活，隨著節(jié)能環(huán)保和清潔能源的照明意識加強與LED照明本身的特點及控制方法催生更高的照明層次需求，推動照明新產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，具體表現(xiàn)在：照明更加節(jié)能可控、低碳、安全可靠；時尚個性，滿足不同用戶獨特需求；輕松管理，可通過操作面板、電腦、手機、IPOD、遙控器等登錄網(wǎng)絡(luò)進行對辦公或住宅照明進行控制。更重要的是可通過對光的明暗或光色的控制使照明環(huán)境為人們的工作學習、休息提供更好與更加健康的智能服務(wù)。同時系統(tǒng)還有信息反饋和交流的平臺，使人們在輕松享受照明環(huán)境的同時可交流平臺上的照明應(yīng)用控制信息，以此擴大節(jié)能和智能型LED照明的應(yīng)用，擴大全社會對能源清潔、降耗、減排的節(jié)能照明理念的關(guān)注，并以此更好地保護我們可愛的地球家園。
本系統(tǒng)由四個分系統(tǒng)組成，具體分別是太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)、調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)上位機集中控制與信息反饋平臺系統(tǒng)。
(1)太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)
太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括太陽能電池板、蓄電池組、計算機自動控制的充電及供電系統(tǒng)、伏光發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和調(diào)節(jié)供電控制及與上位機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。此部分是利用太陽能伏光發(fā)電給辦公或家用LED照明系統(tǒng)供電，同時在遇上連續(xù)陰天伏光發(fā)電不夠用時系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)使用市電保證正常照明。
設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出點跟蹤，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對每塊太陽能電池的工作情況進行監(jiān)控，包括輸出電流、電壓、功率變化的曲線，并將這些信息匯總到上位機監(jiān)控軟件，通過分析各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)太陽能電池的最大輸出功率跟蹤，提高太陽能電池的工作效率。對于蓄電池組工作參數(shù)檢測系統(tǒng)，利用單總線溫度傳感器檢測溫度，利用電流變送器檢測電流并將數(shù)據(jù)通過ＣＡＮ總線上傳給主控機，由主控機進行處理并顯示出來。采用在模塊上設(shè)置硬件開關(guān)或跳線產(chǎn)生模塊地址數(shù)據(jù)，然后由ＭＣＵ通過Ｉ/Ｏ口讀入并存放在ＲＡＭ中，便于上位你讀取和調(diào)用。
(2)LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)
LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)又分主體照明和輔助照明，主體照明具有調(diào)光、調(diào)色功能及有多種燈光模式組合，使環(huán)境光線更為舒適，同時亦可作較多的變化，以適應(yīng)不同的情況。早上能使辦公室的光線更加清新，下午會發(fā)出一種微弱的淡藍光，但就是這種光能激發(fā)人們工作的熱情，晚上在客人探訪、聚會暢談時可能需要較明亮的燈光，而在欣賞古典音樂或輕音樂時，柔和的燈光會通過傳感控制后自動顯得較為寫意而舒緩。另外還可以在白天使自然光照明和LED照明自動融合達到最佳照明效果，使節(jié)能效率維持在最佳水平。
這些是照明光線效果的動感變化，實質(zhì)就是控制LED的電流的變化。我們知道LED之所以比傳統(tǒng)光源更適合控制主要原因是響應(yīng)快線性好、上升快、光譜色溫可調(diào)、安全并且可分離控制?，F(xiàn)階段國內(nèi)外很多家公司投入資金研究LED驅(qū)動控制IC，大部分都留有兼容和控制接口。電路設(shè)計趨勢也向集中控制、標準模塊化及控制系統(tǒng)可擴展性等方面發(fā)展。這樣對LED燈具光源控制變得非常方便。
(3)調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制系統(tǒng)
此系統(tǒng)主要包括單片機的接收執(zhí)行上位機指令和通過運算而輸出控制信號并反饋的閉環(huán)系統(tǒng)是整個應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，下面通過實際應(yīng)用說明智能控制系統(tǒng)的工作原理。
傳統(tǒng)的色溫可調(diào)的設(shè)計中通常是通過改變某種顏色的電流，來混成不同的色溫。使用這種方式，在調(diào)節(jié)色溫的同時，光源的亮度并不恒定，也會隨之發(fā)生改變。為了實現(xiàn)色溫和亮度的獨立控制，每種顏色的LED需獨立PWM驅(qū)動，通過變換不同的顏色間比例，來混成指定的色溫值。在保持某一色溫恒定的前提下，需要調(diào)節(jié)亮度時，只需保持該色溫下各顏色間的比例不變，改變的只是每種顏色的絕對輸出亮度。如需保持亮度不變，只是調(diào)節(jié)不同的色溫，只需根據(jù)各色溫下，各顏色所占的比值，計算得到各顏色LED所需的輸出光通量即可。
通過這種方式，即可實現(xiàn)色溫變化的同時，亮度值保持恒定。調(diào)節(jié)各LED實際輸出亮度是通過改變驅(qū)動電流的占空比來實現(xiàn)，并不需要改變驅(qū)動電流大小。紅光、綠光及藍光分三路獨立PWM驅(qū)動，通過控制微處理器MCU輸出每路LED電流所需占空比，使各顏色LED輸出亮度混合成所選擇的色溫和亮度。在辦公或住宅植物花園照明應(yīng)用系統(tǒng)中，對碳排放的控制有著很重要的意義。
光照與植物光對植物的影響有四種形式：光質(zhì)、光周期、光強度和光量，植物的生長和產(chǎn)量(植物的大小、花的數(shù)目及其它特征)主要受一整天內(nèi)接受的光量的影響，植物的形態(tài)(高度和株型)主要與光質(zhì)有關(guān)(主要是藍光、紅光)。對光周期敏感植物，其開花(短日照和長日照植物)主要受光的持續(xù)時間或光周期的影響，而對光周期不敏感型植物(中性)受光量影響最大，光合作用主要受光量和光強度影響。光合作用主要發(fā)生在可見光譜(400-700nm)內(nèi)，在紅光光區(qū)和藍光光區(qū)內(nèi)光合作用最強LED植物生長燈根據(jù)植物光合作用擇旋光性的生長機理，采用LED做光源，按照科學的RGB配比進行混色，人工合成植物生長所必需的光，光譜純，光譜集中在450-470，615-625。
跟普通植物燈相比優(yōu)勢明顯，普通植物燈會輻射出對植物生長無用的紫外光跟紅外光，浪費大量電能，而LED植物生長燈采用電致發(fā)光機理，在同等光強的條件下，LED植物生長燈要比普通的植物生長燈節(jié)電80%以上。按事先設(shè)置的軟件程序，就能通過LED照明系統(tǒng)對植物生長進行控制，更重要的是，通過物聯(lián)傳感對光、濕、溫等變化來對整個照明系統(tǒng)來進行管理，使LED調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制系統(tǒng)在人們的生活及工作照明中健康地為人們服務(wù)，對減少每個人、每個家庭、每個單位的碳排放起到綜合治理的作用，通過每一單個系統(tǒng)的使用，來普及大眾化應(yīng)用，從而能真正地暢導健康照明，保護環(huán)境。
(4)物聯(lián)網(wǎng)上位機集中控制與信息反饋平臺系統(tǒng)
以上通過對太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)和調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制的三個基礎(chǔ)系統(tǒng)工作原理的說明，我們知道了這些分系統(tǒng)各部分的組成和作用。但是怎樣才能把這些環(huán)節(jié)有機地組成起來完成智能工作呢，這就需要物聯(lián)網(wǎng)上位機集中控制與信息反饋平臺系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)是新名詞，首先看看物聯(lián)網(wǎng)的概念和特征：物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。
首先，它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署了多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實時性，按一定的頻率周期性的采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。
其次，它是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)和核心仍舊是互聯(lián)網(wǎng)，通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。在物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器定時采集的信息需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，由于其數(shù)量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。
還有，物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計算、模糊識別等各種智能技術(shù)，擴充其應(yīng)用領(lǐng)域。
LED照明產(chǎn)品用于辦公或家居照明的一個獨特優(yōu)勢就是通過智能控制來創(chuàng)造舒適節(jié)能的照明環(huán)境。因為LED以其光源特性決定了其未來的智能化照明方向。我們再回到前面來分析整個系統(tǒng)是怎樣工作的。太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、LED照明驅(qū)動及控制系統(tǒng)和調(diào)光調(diào)色等照明功能智能控制的三個是基礎(chǔ)系統(tǒng)，是子系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)上位機集中控制與信息反饋平臺系統(tǒng)才是母系統(tǒng)。
太陽能伏光供電與調(diào)節(jié)系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量支持，同時通過網(wǎng)絡(luò)傳感器把太陽能板充電數(shù)據(jù)、放電數(shù)據(jù)、調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)和效率數(shù)據(jù)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)上位機系統(tǒng)平臺，再通過互聯(lián)網(wǎng)供查詢調(diào)用，形象一點比喻可相當于人體血液循環(huán)系統(tǒng)，把能量帶給單元電路，同時把電信號數(shù)據(jù)帶回存儲區(qū)。照明驅(qū)動控制系統(tǒng)就相當于人體的軀干了，擔負起整個照明系統(tǒng)驅(qū)動點亮的動作執(zhí)行，驅(qū)動控制系統(tǒng)內(nèi)部有分單元之間采用ZigBee的網(wǎng)絡(luò)標準傳輸技術(shù)。
ZigBee模塊通過標準接口與系統(tǒng)主板通過串口進行通信；ZigBee模塊之間以無線網(wǎng)絡(luò)的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，其中與傳感器相連的ZigBee模塊利用其普通I/O端口作為傳感器信號的接收端口與上位機系統(tǒng)聯(lián)系。調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)就相當于人體神經(jīng)系統(tǒng)，執(zhí)行來自物聯(lián)網(wǎng)集中控制的中樞系統(tǒng)的命令。
執(zhí)行的通道有兩種：一是WiFi通道(近距離控制)，一是互聯(lián)網(wǎng)通道(遠程控制)。WiFi技術(shù)和ZIGBEE模塊技術(shù)是符合IEEE802.15.4標準的。IEEE802.15.4標準適用于低速率、低功耗、低復(fù)雜度和短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線個域網(wǎng)(WPAN)。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線傳輸過程中，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問機制(CSMA/CA)，支持超幀結(jié)構(gòu)和時槽保障機制(GTS)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以是星型網(wǎng)或點對點的對等網(wǎng)。該標準定義了3種數(shù)據(jù)傳輸頻率，分別為868MHz、915MHz、2.4GHz。前兩種傳輸頻率采取BPSK的調(diào)制方式，后一種采取0-0PSK的調(diào)制方式。各種頻率分別支持20kbit/s、40kbit/s和250kbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸距離在0m～70m之間。
本文中采用的是頻率為2.4GHz的無線發(fā)射模塊。這四個系統(tǒng)之間及母系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間都是通過傳感網(wǎng)絡(luò)與命令傳輸網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的。具體這些網(wǎng)絡(luò)又分傳感延深層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。每層都使用通用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準。這里再往下探討就相當復(fù)雜了，牽連到很深的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)。但我們本著應(yīng)用的原則，先做較簡單的系統(tǒng)，留有擴展端，慢慢從簡單過渡到高級復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。
隨著LED芯片技術(shù)、LED驅(qū)動技術(shù)及通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，LED智能照明控制物聯(lián)網(wǎng)系通會有著廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)不需要對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進行改動，不需要原先任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，能夠快速布置，方便調(diào)整，并且具有很好的可維護性和拓展性，應(yīng)用前景十分看好。
