CN101521972A - 一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统及其应用。所述系统包括可调光LED驱动器模块、照度传感器模块和个人终端模块。模块之间是对等的关系，呈分布式体系，通过ZigBee技术进行信息传递，每种模块都可在使用时随时增减。所述方法即照度传感器模块直接测量工作面照度；LED驱动器模块通过信息交流，估计自身对所需调控工作面照度的影响程度决定调光行为的方式。照度传感器模块持续发出调光要求，直到工作面照度满足要求为止。本发明成本低，可扩展性强，灵活性好，既能满足人的视觉要求，又最大限度地做到了节能。

Description

一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统及其应用。
技术背景
当前，随着大功率LED技术的发展，LED光源越来越多地被运用于通用照明。与传统的荧光灯等气体放电光源相比，LED的本质是发光二极管，属于半导体器件，具有天然的与数字控制相结合的特性，可以较为方便地实现对功率、光色、色温的调节(PWM调光、模拟调光)。另外，LED光效高，寿命长，随着对其研究的进一步深入，成本的下降和光效的上升的空间很大。针对LED光效高和需恒流驱动的特点，采用高效率的恒流驱动器是必需的。针对LED易于调光的特点，设计适用于LED光源的照明控制系统是可行的。
现有的照明控制系统多采用有线方式互联，布线和维护较为繁琐，不灵活，可扩展性较差，而采用无线通讯的照明控制系统可以解决以上问题。而之所以选用ZigBee作为实现无线照明控制系统的方式，是因为其具有能耗低、成本低、可扩展性强、安全性高等特点。
现有的照明控制系统多采用集总式结构，由一个主控单元和多个被控单元组成，主控单元负责所有的调光算法，被控单元只是执行主控单元的调光命令进行调光行为；在进行恒照度调节时，多使用位置固定的照度传感器，通过不同位置照度值之间的相互转化关系，确定所要求工作面上的照度值，从而进行调节。这样的调光方法一方面易受天然光等因素的干扰，准确性较差；另一方面针对不同的应用没有一个统一的解决方法，在系统结构变化，如灯具增减的情况下不能做到自动适应，灵活性较差。而采用基于工作面照度传感器的分布式恒照度控制方法，则可以较好地解决这个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统及其应用。
本发明提出的基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统，其包括有可调光LED驱动器模块1、照度传感器模块2、个人终端模块3、Zigbee网络4、上位机5、终端用户6和以太网7，可调光LED驱动器模块1、照度传感器模块2和个人终端模块3分别连接Zigbee网络4，上位机5连接Zigbee网络4，个人终端模块3连接终端用户6，终端用户6连接上位机5，上位机5连接以太网7；其中：
所述可调光LED驱动器模块1通过Zigbee网络4接收照度传感器模块2探测的照度值、通过Zigbee网络4接收个人终端模块3的系统参数、并通过Zigbee网络4向个人终端模块3传递自身参数；
所述照度传感器模块2通过Zigbee网络4向可调光LED驱动器模块1和个人终端模块3传递所测照度值，并通过Zigbee网络4接收个人终端模块3的系统参数；
所述个人终端模块3通过Zigbee网络4接收可调光LED驱动器模块1和照度传感器模块2所发送的数据，通过Zigbee网络4向可调光LED驱动器模块1和照度传感器模块2发送系统控制参数，通过Zigbee网络4与上位机5进行信息传递，并与终端用户6交互。
本发明中，所述可调光LED驱动器模块1为一块或任意块(一般为1-20块)，视具体情况而定。
本发明中，所述可调光LED驱动器模块1包括电源模块和控制模块，电源模块连接控制模块，所述电源模块用于实现将市电转化为可驱动多路LED的恒流源功能；所述控制模块用于与电源部分相交互、控制LED驱动电流的大小、实时监控电源部分各项参数并通过ZigBee技术与照度传感器模块和个人终端模块相互通讯。所述电源模块包括AC/DC恒压模块和DC/DC恒流驱动模块，AC/DC恒压模块的输出端连接DC/DC恒流驱动模块的输入端，AC/DC恒压模块运用零电压开关技术、同步整流技术和平面变压器技术实现高效率恒压输出；DC/DC恒流驱动模块以AC/DC恒压模块的输出作为输入，可分别恒流驱动多路LED灯串，并能对每路LED灯串分别进行PWM调光和模拟调光。
本发明中，所述照度传感器模块2以干电池或锂电池作为电源，体积小，呈扁平状，背后可粘双面胶，可固定在任意工作面的任意位置上探测所在点照度；照度传感器模块2设有具有定位功能的ZigBee芯片，可以探测附近其它带ZigBee芯片模块距离的远近。
本发明中，所述个人终端模块3具有LCD触摸屏，可实时显示系统中各可调光LED驱动器模块1和照度传感器模块2的信息；具有输入按键，可按用户想法调整系统控制参数，实现对工作面照度的改变；可与上位机5进行数据传递。
本发明提出的基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统可以用于工作面恒照度调光。具体步骤如下：
①可调光LED驱动器模块1、照度传感器模块2和个人终端模块3上电自检、初始化并组网；
②个人终端模块3判断系统工作在工作面恒照度模式或一般模式；如果工作在一般模式，则根据用户的要求只进行场景调光动作，不进行工作面恒照度调光方法；如果工作在恒照度模式，个人终端模块3将预设的工作面照度值传递给照度传感器模块2。
③照度传感器模块2对当前工作面照度值进行采样，并与将预设的工作面照度值作比较，如果两者之间的误差小于设定的阈值，则工作面照度满足要求，完成调光；否则，则进一步需要进行恒照度调光；
④可调光LED驱动器模块1之间通过ZigBee网络4进行交互，结合照度传感器模块2得到的信息和可调光LED驱动器模块1预设的信息，计算出此次调光过程的影响因子，确定其在此次调光过程中所需达到的调光值并执行调光动作；所述调光动作包括单纯的开和关，也包括通过改变LED的电流或占空比调节LED灯具的输出功率；
⑤照度传感器模块2在一定时间间隔后再次测量所在点照度，如果仍未达到预设照度值，重复步骤③、④，再次进行调光修正，否则，完成本轮调光过程。
本发明中，可通过放置若干个照度传感器模块2或将一个照度传感器模块2多次放置于多个位置，达到对一个较大工作面的恒照度控制。可调光LED驱动器模块1具有记忆功能，在对系统进行过一次恒照度控制后，每次断电后，若无新的照度要求，可调光LED驱动器模块以上一次的调光值作为初始调光值。
进一步的，可调光LED驱动器模块在计算各自对调光过程的影响因子时，可以直接运用照度传感器模块所传递的信息，如照度传感器模块与LED驱动器之间的距离等，也可以通过采用自学习算法，观测若干次调光后照度传感器反馈的工作面照度的变化间接运用这些信息。
随着LED技术和Zigbee无线技术的发展和日趋成熟，用一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统替代已有的照明控制系统，并发展一套与之相适应的工作面恒照度调光方法。具体来说，就是以Zigbee技术为载体，作为系统中可调光LED驱动器模块、照度传感器模块和个人终端模块相互间通讯的手段。这三种模块以分布式的方式构建控制网络，每种模块都可以在使用过程中动态增减。所述可调光LED驱动器模块可以与其他模块相互通讯和调节所控制LED灯具照度。所述照度传感器模块可以与其他模块相互通讯，并可置于任意工作面上，直接测量所在点照度。所述个人终端模块可以与其他模块通讯，与上位机进行信息传递，并可通过人机界面与用户直接交互。三种模块通过特定的分布式算法达到对工作面恒照度的控制。
附图说明
图1是本发明基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统结构图示。
图2是本发明工作面恒照度调光方法的工作流程图。
图3是本发明一个实施例的应用场景及方法示意图。
图中标号：1是可调光LED驱动器模块，2是照度传感器模块，3是个人终端模块，4是ZigBee网络，5是上位机，6是终端用户，7是以太网，8是工作面，9是灯具。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细叙述。
实施例1：如图1所示，基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统，包括有可调光LED驱动器模块1、照度传感器模块2和个人终端模块3。各种模块之间都是通过ZigBee网络4进行信息传递。
所述可调光LED驱动器模块1、照度传感器模块2和个人终端模块3是对等的关系，呈分布式体系，系统中不存在主控模块，每种模块都可独立工作，并能够根据需要随时动态增减。
所述可调光LED驱动器模块1用于接收照度传感器模块探测的照度值、接收个人终端模块的系统参数、向个人终端模块传递自身参数并与其它LED驱动器模块相互传递用以实现控制策略的信息。其包括电源模块和控制模块：
所述电源模块用于实现将市电转化为可驱动多路LED的恒流源功能，包括AC/DC恒压模块和DC/DC恒流驱动模块，所述AC/DC恒压模块运用零电压开关技术、同步整流技术和平面变压器技术实现高效率恒压输出；所述DC/DC恒流驱动模块以AC/DC恒压模块的输出作为输入，可分别恒流驱动多路LED灯串，并能对每路LED灯串分别进行PWM调光和模拟调光。例如：可以选用L6562作为AC/DC控制芯片，HV9910作为恒流驱动芯片。
所述控制模块用于与电源部分相交互、控制LED驱动电流的大小、实时监控电源部分各项参数并通过ZigBee技术与照度传感器模块和个人终端模块相互通讯。例如：可以选用Zigbee芯片CC2430完成以上功能。
所述照度传感器模块2可以选用带定位功能的Zigbee芯片CC2431，用于向LED驱动器模块和个人终端模块传递所测照度值并接收个人终端模块的系统参数。
所述个人终端模块3用于接收可调光LED驱动器模块和照度传感器模块所发送的数据、向LED驱动器模块和照度传感器模块发送系统控制参数、与上位机进行信息传递并与用户交互。可以选用ARM9芯片S3C2410作为主控芯片，负责人机界面管理，并选用Zigbee芯片CC2430负责网络传输相关，S3C2410与CC2430通过SPI总线通信，协同完成上述各项功能。
所述可调光LED驱动器模块、照度传感器模块和个人终端模块的配置和工作过程如下：各模块上电后进行自检、初始化。用户可通过个人终端模块设置系统工作的模式。如为一般模式，则系统根据用户的要求进行一般的场景切换；如为工作面恒照度模式，则系统根据工作面恒照度调光算法进行调光。
一种基于ZigBee技术的工作面恒照度调光方法。具体如图2、图3所示。
第一步，可调光LED驱动器模块、照度传感器模块和个人终端模块上电自检、初始化并组网。
第二步，个人终端模块判断系统工作在工作面恒照度模式或一般模式。如果工作在一般模式，则根据用户的要求进行一般的场景调光动作，不进行工作面恒照度调光方法；否则，进行工作面恒照度调光方法，个人终端模块将预设的工作面照度值传递给照度传感器模块。
第三步，照度传感器模块对当前工作面照度值进行采样，并与将预设的工作面照度值作比较，如果两者之间的误差小于某一设定阈值，则工作面照度事实上已经满足要求，不必进行调光。否则，需要进行恒照度调光算法。
照度传感器模块运用ZigBee芯片的定位功能(这里的具有定位功能的ZigBee芯片例如TI的CC2431等)寻找离自身最近的若干个可调光LED驱动器模块并向其发送调光要求，包括两者之间的距离、照度传感器所在点目前的照度值和期望达到的照度值等必要信息。
第四步，可调光LED驱动器模块之间通过ZigBee进行交互，结合从照度传感器模块得到的信息和自身的预设，计算出各自对此次调光过程的影响因子，确定其在此次调光过程中所需达到的调光值并执行调光动作。这里的调光动作包括单纯的开和关，也包括通过改变LED的电流或占空比调节LED灯具的输出功率。
第五步，照度传感器模块在一定时间间隔后再次测量所在点照度，如果未达到预设照度值，重复第三、第四步，再次进行调光修正，否则，本次调光行动结束，当再次收到调光要求时进行下一轮调光。
可以将个人终端模块设置为每隔一段时间重复指示一次工作面预设调光值，从而使系统能够在环境变换的情况下也可以及时做出响应，保持工作面的恒照度。这里的时间间隔可以取得比较大，如5分钟以上。
本发明采用一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统替代原有的照明控制系统，一方面避免了原有系统布线和维护的高成本、灵活性和可扩展性差的缺点，引入了低成本、低能耗、可扩展性好、调光灵活等优点；另一方面，通过用分布式体系替代原有调光系统多用的集总式结构，用工作面照度传感器直接测量工作面照度，并采用工作面恒照度调光方法，在不增加系统成本的前提下极大提高了系统的灵活性和自动适应性，是一种实现智能照明控制的优良方案。
应当理解的是，本发明所涉及的工作面恒照度调光方法将LED驱动器模块与所控工作面上照度传感器之间的距离作为一个显性变量进行运算，这种算法完全可以采用其他将此距离作为隐性变量的算法(比如神经网络等)来替换，而所有这些替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1、一种基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统，其特征在于：包括有可调光LED驱动器模块(1)、照度传感器模块(2)、个人终端模块(3)、Zigbee网络(4)、上位机(5)、终端用户(6)和以太网(7)，可调光LED驱动器模块(1)、照度传感器模块(2)和个人终端模块(3)分别连接Zigbee网络(4)，上位机(5)连接Zigbee网络(4)，个人终端模块(3)连接终端用户(6)，终端用户(6)连接上位机(5)，上位机(5)连接以太网(7)；其中：
所述可调光LED驱动器模块(1)通过Zigbee网络(4)接收照度传感器模块(2)探测的照度值、通过Zigbee网络(4)接收个人终端模块(3)的系统参数、并通过Zigbee网络(4)向个人终端模块(3)传递自身参数；
所述照度传感器模块(2)通过Zigbee网络(4)向可调光LED驱动器模块(1)和个人终端模块(3)传递所测照度值，并通过Zigbee网络(4)接收个人终端模块(3)的系统参数；
所述个人终端模块(3)通过Zigbee网络(4)接收可调光LED驱动器模块(1)和照度传感器模块(2)所发送的数据，通过Zigbee网络(4)向可调光LED驱动器模块(1)和照度传感器模块(2)发送系统控制参数，通过Zigbee网络(4)与上位机(5)进行信息传递，并与终端用户(6)交互。
2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可调光LED驱动器模块(1)包括电源模块和控制模块，电源模块连接控制模块，所述电源模块包括AC/DC恒压模块和DC/DC恒流驱动模块，AC/DC恒压模块的输出端连接DC/DC恒流驱动模块的输入端。
3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述照度传感器模块(2)以干电池或锂电池作为电源，其上设有具有定位功能的ZigBee芯片。
4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述个人终端模块(3)具有LCD触摸屏和输入按键。
5、一种如权利要求1所述的基于ZigBee技术和LED光源的智能照明控制系统用于工作面恒照度调光，具体步骤如下：
①可调光LED驱动器模块(1)、照度传感器模块(2)和个人终端模块(3)上电自检、初始化并组网；
②个人终端模块(3)判断系统工作在工作面恒照度模式或一般模式；如果工作在一般模式，则根据用户的要求只进行场景调光动作，不进行工作面恒照度调光；如果工作在恒照度模式，个人终端模块(3)将预设的工作面照度值传递给照度传感器模块(2)。
③照度传感器模块(2)对当前工作面照度值进行采样，并与将预设的工作面照度值作比较，如果两者之间的误差小于设定的阈值，则工作面照度满足要求，完成调光；否则，则进一步需要进行恒照度调光；
④可调光LED驱动器模块(1)之间通过ZigBee网络(4)进行交互，结合照度传感器模块(2)得到的信息和可调光LED驱动器模块(1)预设的信息，计算出此次调光过程的影响因子，确定其在此次调光过程中所需达到的调光值并执行调光动作；所述调光动作包括单纯的开和关，也包括通过改变LED的电流或占空比调节LED灯具的输出功率；
⑤照度传感器模块(2)在一定时间间隔后再次测量所在点照度，如果仍未达到预设照度值，重复步骤③、④，再次进行调光修正，否则，完成本轮调光过程。
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