多场景LED照明智能控制系统

李　奇

(华中科技大学　光学与电子信息学院　湖北　武汉：430074)



多场景LED照明智能控制系统

李奇

(华中科技大学光学与电子信息学院湖北武汉：430074)

摘要随着室内照明要求的日益提高与LED照明技术的逐步完善，传统的智能照明系统在功能与节能环保方面已不能满足目前需求。对此，提出了一种基于LED照明的智能控制系统，通过对照明环境的实时监测与反馈，实现多场景联合控制的照明目的。系统由LED照明回路、控制面板、无线通信模块、照度传感器、人体红外传感器和逻辑控制器件组成。以FPGA作为主控制芯片，利用GPRS与ZigBee模块进行无线通讯，通过串行I/O口读取各传感器以及控制面板数据，同时发出调光信号对LED照明回路进行调光。系统以一酒店场景作为实例，分析了各场景照明结构与控制流程，实现了对多个复杂照明场景的远距离智能控制，达到对整体环境的照明要求。

关键词智能照明；多场景联合控制；LED；无线通信

目前国内各场景智能照明模式有很多，随着人体红外传感器、照度传感器以及FPGA控制等技术的成熟，这些技术被应用到照明系统中，通过传感器检测与传统调光手段，大多都实现了节能、人性化设计的基本要求，但是却依然存在着很多不足。最常见的智能模式是通过各种调光模块对各个光源进行独立调光，当各个场景的照明需要相互配合的时候，智能照明系统并不能满足功能需求。

本系统运用GPRS与ZigBee模块的远程传输性能，实现灵活准确的大场景、多场景，不同时段要求的智能照明控制。这样的照明系统由可编程门阵列(FPGA)、控制面板、人体红外传感器、照度传感器、LED照明回路、远程通信模块组成。通过传感器反馈环境中人体活动与照度变化的信息，对多个场景中各照明区域做出合理调控。

本文也给出了以一个酒店会议为背景的智能照明系统的应用实例，该实例运用智能化系统对各个场景进行协同调光，实现各场景联合控制的设计要求[1-3]。

1照明智能控制系统结构

为达到系统控制目标，在系统硬件结构上实现远距离数据传输，以满足在大场景、多场景环境中的控制要求；在逻辑控制模块中，实现基于人体、照度检测的智能照明控制。

1.1系统硬件结构

在照明控制系统的硬件部分中，可编程门阵列(FPGA)通过逻辑编程设计，分析各场景中人体红外传感器、照度传感器所发送的信号，同时对LED照明回路做出控制反应。控制面板主要通过人为操作发出控制指令。控制信号利用GPRS通讯模块传输至不同场景，再通过ZigBee模块对场景内各控制器件进行远程无线传输。控制系统结构如图1所示。

图1　控制系统结构图

ZigBee模块主要由CC2430控制芯片、CC2591功放芯片以及少量的外围器件构成。无线网络中包含了设备终端控制节点与协调器节点(与GPRS模块相连)。ZigBee模块通过A/D转换电路以及其他电路实现了与照明回路、传感器的连接。ZigBee节点硬件结构如图2所示[4]。

图2　 ZigBee节点硬件结构

1.2系统控制模块

控制模块主要功能为接收控制面板以及传感器信号后，输出对应PWM信号对各个区域LED照明设备进行控制。FPGA智能控制模块示意图如图3所示。

图3　控制模块示意图

把模块封装成为硬件模块电路进行连接，连接方式如图4所示。

图4　电路模块连接图

在接收到控制面板的控制信号后，选择调用相应的控制模式：

begin

case(Data[23:16])//识别控制面板发出接收信号

8′b01000101:channel<=2′b000;//选择不同模式

……

default: endcase

case(channel)//根据选择模式调用参考范围写入模块

2′b000:begin D1<=1′b1;D2<=1′b0;D3<=1′b0;end

……

default:;endcase end

在确定控制模式后，调用不同场景的子控制模块发出控制信号至PWM发生模块。

hall hall(…….D1(D1),Data(Data),LED1(LED1)，……);

guest_room guest_room(…….D2(D2), Data(Data),LED2(LED2) ,……);

meeting_room meeting_room(…….D3(D3),Data(Data),LED3(LED3) ,……);

根据PWM输出指令来调用相对应占空比的PWM输出模块

PWMout LEDout1(.……,.pwm(pwm1),pwmout(ledout1));

PWMout LEDout2(.……,.pwm(pwm2),pwmout(ledout2));

//调用PWM信号产生模块

……

2实例设计

在此以酒店会议的LED照明控制来说明智能照明系统。根据酒店会议的流程，分别以大厅签到、休息室休息、会议室进场、会议进行、中场休息、会议继续进行、退场为不同模式，对酒店大厅、休息室、会议室三个主要区域进行照明控制。

控制模块中，场景切换可以自动完成，也可通过控制面板手动切换。FPGA收到切换信号后，通过模式设定确定其他三个模块中各个照明区域应该达到的照明要求，然后输出相应的PWM信号对每个LED进行调光控制。对于某些需要根据环境变化而改变照明模式的区域，增加传感器反馈，做出相应调整。系统结构如图5所示。

2.1灯光分布

大厅、休息室、会议室的灯光分布如图6所示。

图5　系统结构

图6　灯光分布

酒店大厅的照明空间可以分为三个部分：进门和前厅区域照明，服务总台的照明以及客人休息区的照明。这些照明应该保证色温的一致性，三个区域的照明通过亮度对比，给酒店大堂营造出亲切的氛围[5]。

休息室照明主要组成部分为顶灯与射灯。顶灯可以通过调节暖白LED与冷白LED的比例实现色温调整。射灯除了照明外，也搭配有彩色装饰灯，以营造气氛。

会议室分为大灯、左射灯、右射灯、展示台射灯四个照明回路。在控制时，将设置四个照明回路独立控制，通过光敏原件调节，来保证会议室的照度均匀。

2.2照明要求

大厅签到过程中，一定要突显服务台，所以服务台射灯亮度应该较高。门前射灯除了提供照明外，可以加入其它颜色的装饰灯。客人在前台处签到后可以在休息室休息，此时休息室内照明采取暖色调，亮度并不需要太高，营造轻松舒适的氛围。会议室则采取低亮度照明[6]。

在会议室进场过程中，休息室与会议室的灯光应恢复高亮度，同时关闭修饰灯，这样可以让客人离开休息室进入会议室时整理好物品。当客人离开休息室时，通过人体红外传感器控制灯光熄灭。

会议进行分讨论与展示两种模式。在讨论模式中，应保持会议室内充足平均的光照。在展示模式中，关闭投影仪处灯光，其他照明亮度偏低。

在中场休息时加入暖白光，调节现场气氛[7]。 退场时，会场灯光全部打开，方便退场。

3系统控制流程

控制流程主要分为签到休息、进场模式、会议展示、会议讨论、会议休息、退场六个模式，各模式间均可手动切换，某些切换也可通过系统自行完成。签到休息中，客人在前台进行签到，然后前往休息室休息；在进场模式中，会提醒客人进场进入会议室；在会议展示时，进行PPT展示；会议讨论中，进行提问回答环节。

其中，签到休息到进场模式是可以通过系统自行完场，到了规定时间，便切换为进场模式。由于一般展示都有时间限制，在时间耗尽的时候，切换为会

议讨论模式。

签到过程中，一定要突显服务台，所以服务台射灯亮度应该较高。门前射灯除了提供照明外，可以加入其它颜色的装饰灯。客人在前台处签到后前往休息室休息此时休息室内照明采取暖色调，亮度并不需要太高，营造轻松舒适的氛围。在进场时，采取高亮度照明，方便整理物品，离开后灯光全部关闭。

会议进行分三种模式：讨论模式、展示模式、中场休息。在讨论模式中，应保持会议室内充足平均的光照。在展示模式中，关闭投影仪处灯光，其他照明亮度偏低。在中场休息时加入暖白光，调节现场气氛。退场时灯光全开，方便整理。

系统控制流程图如图7所示。

图7　系统控制流程图

4结束语

通过对不同场景在不同模式下的照明需求分析，增加了各个场景照明的协调程度，实现了智能化照明目的。在实例设计中，针对所需的控制流程，提出系统控制方案，满足了照明需求。同时因为FPGA具有系统可重配置功能，以及丰富的扩展接口，减小了系统修改难度。GPRS和ZigBee模块的应用实现了远距离控制的需求。利用PWM调光技术，面对不同场景不同型号的LED照明设备，只需适配合适的LED驱动即可进行调光控制，大大增加了系统的灵活度，以适应各种不同环境下的照明控制。

参考文献

[1]庄晓波,刘彦妍.智能照明综合评述和探讨[J].光源与照明,2015,(1):31-36.

[2]吴挺竹.LED智能照明系统的应用与发展[J].电子技术与软件工程,2014,(2):130-131.

[3]俞力.智能照明系统的设计与实现[J].中华民居(下旬刊),2014,(8):59-60.

[4]周学军.基于ZigBee和GPRS的照明监控系统的设计[D].广州：华南理工大学,2013.

[5]Melanson J L. LED lighting system with a multiple mode current control dimming strategy: U.S. Patent 7,759,881[P].2010-7-20.

[6]顾娜. 基于CAN总线的智能照明控制系统的研究与设计[D].镇江：江苏大学,2007.

[7]Tan Y K, Huynh T P, Wang Z. Smart personal sensor network control for energy saving in DC grid powered LED lighting system[J]. Smart Grid, IEEE Transactions on,2013,4(2):669-676.

(责任编辑：李文英)

Multi-scenario Intelligent LED Lighting Controlling System

LI Qi

( Huzhong University of Science and Technology, School of

Optics and Electronics and Information, Wuhan 430074, Hubei)

Abstract:With the increasing demand of indoor lighting and the refinement of LED lighting technology, traditional intelligent lighting system can no longer fulfill the demand of lighting and environment protection. To solve this problem, this paper proposes an intelligent controlling system based on LED lighting to realize the joint-control of multi-scenario lighting. The system consists of LED lighting circuit, controlling panel, wireless communication module, illumination sensor, infrared sensor and logic controller. Using FPGA as its main controlling chip, it acquires data from sensors and control panels through serial I/O with the assistance of GPRS and ZigBee module, giving adjusting signal to adjust the light through LED light circuit at the same time. Taking its utility in hotels as an example, the system fulfills the overall demand of illumination by running a remote intelligent control of several complicated lighting scenario and the analysis of lighting structure and controlling process.

Key words:intelligent lighting; multi-scenario joint control; LED; wireless communication

作者简介：李奇(1991～)，男，在读硕士生.E-mail： 363482924@qq.com

收稿日期：2015-09-18修回日期：2015-10-29

中图分类号：TM923.34

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2015)04-0039-05