CN102685993A - 一种led照明无线控制系统 - Google Patents

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卢喜文
刘立
李丽
何书专
潘红兵
卢明乔
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江苏利鼎微系统有限公司
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Abstract

本发明公开了一种LED无线照明控制系统,该系统包括主控制器和接收控制终端。主控制器通过射频发送模块与外部一定数量的接收控制终端进行射频通信。主控制器包含显示控制模块、主控MCU系统电路板、射频发送模块。接收控制终端包含接收MCU系统电路板、射频接收模块和LED驱动电源模块。本发明适用范围广泛、灵活度高、成本低廉。接收控制终端的数量可以根据需要自行灵活确定。在广泛的空间范围内,主控制器和接收控制终端仍然保持相当高的通信灵敏度。

Description

—种LED照明无线控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于照明电源领域,涉及ー种LED照明无线控制系统。
背景技术
[0002] 相比传统光源,LED具有光效高、发热低、体积小、寿命长等诸多优点。在农业照明领域,LED优势更突出明显,具体体现在生物能效高、节能效果显著、可大大提高植物栽培密度。
[0003] 智能照明控制系统不仅可以节能,还能创造舒适的农业生产环境、提高生产效率,因此在各农业生产场所中的应用越来越多,尤其是在各种农业大棚和畜禽养殖场。采 用智能的照明系统不仅可以大大提高植物的光合作用的效率和畜禽的产蛋率,并且能节约电能降低生产成本。当下,采用LED作为光源的无线智能照明控制系统在各农业生产场所中的应用越来越多,具有广大的市场。
[0004] 农业生产场所往往要求照明系统具有安装和使用成本低、操作简易等特点,但目前对LED照明控制系统的设计方案较多的是采用信号线进行控制信号传递的方案,每ー个LED光源内部集成控制模块。每个LED光源受与其通过信号线相连接的控制模块的控制。由于每个LED光源都是相对独立的,各自由相应的控制模块控制,控制信号之间互不影响,所以该系统具有良好的可靠性。与此同吋,由于LED光源数量有可能很大,各个控制模块都是独立工作并不受ー个统ー的控制器控制,一旦需要变更控制程序则需要对每ー个控制模块的控制程序进行从新烧录,这样就导致了维护困难,灵活性较低。更重要的是如果在较大的空间范围内进行工程安装,则会耗费大量的电线等器材,大大提高了系统的成本。为了解决上述方案中的不足,可以给每个LED光源的控制模块增加一个射频通信模块,所述射频通信模块连接每个LED光源的控制模块到ー个统ー的主控制器进行集中控制。这样即使面对不同的场合,也只需要对主控制器的程序进行集中设计,这样不仅可以大大提高系统的可拓展性,而且系统的调试和维护也更加的容易。
[0005] 农业生产环境对光线強度的要求是不断变化的,因此采用LED作为光源的无线智能照明控制系统需要采用可调光的技术方案。LED亮度控制方法可分为模拟调光和数字PWM调光两种。目前照明系统生产厂家广泛采用模拟调光技术进行照明控制系统设计,模拟调光通过改变LED电流来调整亮度。其缺点在于LED会随着正向电流改变而产生色偏现象,无法满足精度的要求。相比之下,PWM调光通过开启和关闭LED来改变正向电流导通时间以达到亮度调整效果。由于LED都是以恒定的电流导通,因此不会出现模拟调光技术的色偏移问题,可以说PWM调光技术的出现大大提高了调光的精度。PWM调光技术具体实施起来主要分为2步,第一步可以利用传统的51、AVR等单片机的定时器输出通道输出符合要求的P丽信号到LED驱动电源,第二步由LED驱动电源把PWM信号的变化转化为LED光源正向电流导通时间的变化,从而控制LED光源強度。但传统的51、AVR等单片机定时器输出通道较少,功耗较大且程序的执行效率不高。相比之下,意法半导体公司的STM32处理器采用ARM公司最新的V7体系架构的内核Cortex-M3,它的速度比ARM7快三分之一,功耗低四分之三,同时采用最新的Thumb-2指令集,有效地降低了代码的密度,提高了程序的执行效率,使得系统的软件更新更加容易实现,达到了性能和功耗的平衡。STM32处理器拥有8个定时器,高级定时器可以同时产生8路PWM输出,普通的定时器也有四个捕获比较通道,其中每ー个都可以用来产生PWM信号。所以越来越多的研发领域已经从51、AVR等单片机开始转移到STM32处理器。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种试用范围广、工作稳定、成本低廉且高精度调光的农业LED照明无线控制系统。
[0007] 本发明的目的是通过以上技术方案来实现的:
ー种LED照明无线控制系统,其特征在于:该系统包括主控制器和一组接收控制终端,主控制器通过无线信号与ー组接收控制终端连接并对LED进行控制。
[0008] 本发明所述主控制器包括显示控制模块、主控MCU系统电路板和射频发送模块,显示控制模块和射频发送模块均与主控MCU系统电路板连接。所述显示控制模块包含配有液晶显示屏及控制按键,显示控制模块通过控制按键对主控MCU系统电路板产生控制指令并传递给射频发送模块。所述射频发送模块将接收到的控制指令以及自身物理地址信息发送给接收控制终端,然后等待接收来自接收控制终端的应答信号。
[0009] 所述接收控制终端包含接收MCU系统电路板、射频接收模块和LED驱动电源模块,与射频发送模块相适配的射频接收模块将接收到的信号传送给接收MCU系统电路板,所述接收MCU系统电路板根据接收到的控制指令,配置相关的定时器输出通道,输出合适的PWM信号到LED驱动电源模块,对LED进行控制。所述射频发送模块和射频接收模块均工作在
2. 4^2. 5GHz世界通用ISM频段。
[0010] 所述MCU系统电路板进ー步包括MCU芯片、调试単元、存储单元、复位电路单元等模块。所述MCU芯片为MCU系统电路板核心単元;所述调试単元用来为系统调试应用程序;所述存储単元用来存储显示信息和控制指令;所述复位电路单元用来触发系统复位。
[0011 ] 所述LED驱动电源模块根据PWM信号的变化弓丨起正向电流导通时间的变化从而控制LED光源,实现PWM精确调光。
[0012] 所述主控制器和接收控制終端进ー步均包括电源模块,所述电源模块用来为所述主控制器和接收控制終端供电。
[0013] 与现有的技术方案相比,本发明的优点是:
I、试用范围广。采用的射频发送模块和射频接收模块均工作在2. Γ2. 5GHz世界通用ISM频段。有效距离最高达500米。
[0014] 2、稳定性高。一个主控制器可以同时控制2-50个接收控制终端,每ー个接收控制終端和LED光源采用相同的元件结构,当其中一个接收控制终端发生故障吋,不影响其他接收控制終端正常工作。
[0015] 3、调光精确。调光方式采用了 PWM调光,该种方式通过开启和关闭LED来改变正向电流导通时间以达到亮度调整效果,本发明中LED都是以恒定的电流导通,因此不会出现模拟调光技术的色偏移问题。
[0016] 4、操作简易,成本低廉。显示控制模块采用液晶显示屏和控制按键组成,通过简单的按键操作并配以直观的液晶显示屏显示达到了简单易用的目的。
[0017] 本发明采用了比模拟调光更为先进的数字PWM调光方案,接收控制終端中的接收MCU系统电路板可以产生高精度的PWM信号给LED驱动电源模块从而进行LED光源强度调节。本发明具有适用范围广泛、灵活度高、成本低廉等特点。接收控制终端的数量可以根据需要自行灵活确定。在广泛的空间范围内(500M),主控制器和接收控制終端仍然保持相当高的通信灵敏度。
附图说明
[0018] 图I是本发明的结构框图。
[0019] 图2是本发明的硬件结构示意图。
[0020] 图3是本发明实施例中STM32F103V8T6与nRF24L01的连接图。
·[0021] 图4是本发明实施例中鸡舍光源系统设计示意图。
[0022] 图5是本发明实施例中LED控制系统主控制器的主函数流程。
[0023] 图6是本发明实施例中LED控制系统接收控制终端的主函数流程。
[0024] 具体实施方式
以下结合附图和实施例详细描述本发明。
[0025] 一种农业LED照明无线控制系统,包括主控制器I和若干接收控制終端2,见图I。
[0026] 图2是本发明的硬件结构示意图。主控制器I包含显示控制模块11、主控MCU系统电路板12、射频发送模块13。显示控制模块11和射频发送模块13均与主控MCU系统电路板12相连。显示控制模块11配有液晶显示屏及控制按键若干,通过相应的按键操作使主控MCU系统电路板产生控制指令并传递给射频发送模块。射频发送模块将接收到的控制指令以及自身物理地址信息发送给接收控制終端2,射频发送模块同时接收来自接收控制终端的应答信号。
[0027] 接收控制终端2包含接收MCU系统电路板22、射频接收模块23和LED驱动电源模块21。射频接收模块接收来自射频发送模块的控制指令并传递给接收MCU系统电路板。接收MCU系统电路板根据接收到的控制指令,配置相关的定时器输出通道,输出合适的PWM信号到LED驱动电源模块。
[0028] 采用意法半导体公司的STM32F103V8T6作为LED无线控制系统的主控制器,STM32系列微控制器采用了 ARM公司专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的Cortex-M3内核。本发明所选用的STM32F103V8T6属于STM32互联型系列,具有72 MHz的时钟频率,片上外设极为丰富。整个系统的硬件电路框图如图2所示,主控MCU系统电路板12和接收MCU系统电路板22均由STM32微控制器、MAX3232串ロ调试模块、EEPROM存储模块、晶振电池复位电路等模块组成,同时由12V直流电源供电。
[0029] 为了控制产品的成本,显示控制模块11没有采用智能触摸屏设计,而是采用了价格低廉的1602液晶显示屏加按键构成的显示控制板设计方案。在图2中所示,该显示控制板由一块带背光的1602液晶显示屏和3个按键构成,按键I为选择切换按键,按键2为确认按键,按键3为复位按键,整个显示控制板具有构造简易,功能丰富等特点。
[0030] 射频发送模块和射频接收模块均采用了 nRF24L01无线收发模块。nRF24L01是ー款单片无线射频收发器,工作在2. Γ2. 5GHz世界通用ISM频段。该无线收发器芯片由频率合成器、增强型SchockBurst TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器、寄存器、SPI接ロ、电源管理等功能模块组成。STM32F103V8T6微控制器与nRF24L01无线收发模块之间利用同步串行ロ SPI进行双向通信。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接ロ进行设置。本次设计的SPI连接图如图3所示:
无线收发器芯片nRF24L01主要有4种工作模式:发送模式、接收模式、待机模式和掉电模式。STM32F103V8T6通过控制CSN和CE4引脚以及寄存器的PWR_UP和PRM_RX位来设置工作模式。主控制器和接收控制终端的MCU系统电路板均由STM32F103V8T6作为核心控制芯片,并将芯片nRF24L01配置成增强型SchockBurst TM且与MCU芯片通过SPI接ロ相连。上电初始化后 ,控制器发送端自动加载FLASH中的代码,并设定GPIO ロ,然后通过SPI接ロ自动检测nRF24L01模块并将其配置为发送模式。当用户通过显示控制板发出控制指令吋,核心控制芯片通过SPI接ロ发送控制指令给nRF24L01,nRF24L01接收到数据后立刻将数据发射出去并切换为接收模式,接收来自接收控制终端的ACK应答信号。接收控制终端应配置为接收模式并且地址设置要和发射端完全一致,接收速度也要和发射端一致。
[0031] LED驱动电源模块主要为LED光源提供合适的驱动方式。LED光源常用的驱动方式有电感式驱动和电荷泵式驱动,其中电感式驱动电路适合驱动若干个相串联的LED。本设计的LED驱动电源模块采用了 HGUANG TECH公司的LD40W-H)系列PWM调光LED电源,其采用恒流、恒压、隔离型的驱动模式,单路输出,输出范围6V-36V DC,PWM频率为200HZ-1KHZ。定时器输出PWM信号作为LED驱动电源模块的PWM信号源,PWM信号的变化引起正向电流导通时间的变化从而控制LED光源,实现PWM调光。
[0032] 本发明的农业LED照明无线控制系统的PWM调光原理具体为:
LED亮度控制方法可分为模拟调光和数字PWM调光两种,模拟调光通过改变LED电流来调整亮度,其缺点在于LED会随着正向电流改变而产生色偏现象,无法满足精度的要求。PWM调光通过开启和关闭LED来改变正向电流导通时间以达到亮度调整效果,本次设计中LED都是以恒定的电流导通,因此不会出现模拟调光技术的色偏移问题。设计的LED控制器中,MCU的定时器工作在PWM模式,所以需要将定时器的捕获比较模式寄存器(ΊΊΜ_X CCMR1/2)中的模式设置位OCxMs设置为110或111,对应于PWM输出的2种模式,这2种模式的区别是输出电平的极性相反。STM32的定时器除了 ΤΙΜ6和ΤΙΜ7外,其他的定时器都可以用来产生PWM输出,高级定时器ΊΊΜ1和ΊΊΜ8可以同时产生8路PWM输出,而普通的定时器也有四个捕获比较通道,其中每ー个都可以用来产生PWM信号。每个通道产生的PWM信号的周期由该通道对应的自动重装载寄存器(TIM_x ARR)中的值决定,具体计算的数学方程式为Tpwm = ( TIM_x ARR + I) / T THLclock ;占空比则由相应的捕获比较寄存器(TIM_x CCR)和自动重装载寄存器(ΊΊΜ_χ ARR)中的值共同决定,具体计算的数学方程式为fduty = TIM_x CCR /( TIM_x ARR + I) X 100%同时还可以通过设置控制寄存器的相应位来设置时钟分频数、计数器的计数方向等,以产生所需要的PWM波形。设定好相关寄存器的值后,定时器输出通道输出符合要求的PWM信号作为LED驱动电源模块的PWM信号源,PWM信号的变化引起正向电流导通时间的变化从而控制LED光源,实现PWM调光。
[0033] 以下介绍本发明提供的ー种养鸡场的鸡舍LED照明无线控制系统。
[0034] 在本次系统设计中养鸡场的鸡舍如图4所示,每间鸡舍形状为130mX 75m矩形,内置了 9列叠层式笼具,每列间距5m,每列笼具配置一个接收控制终端,该终端用来接收主控制器的无线控制信号并利用MCU定时器输出通道输出符合要求的PWM信号到LED驱动电源模块进而调节笼具内LED光源強度。9个接收控制终端由一个主控制器进行统ー控制。用户可以通过显示控制板操控主控制器同时调节9列叠层式笼具中的LED光源強度或単独调节某一列笼具的LED光源強度。
[0035] LED无线控制系统软件设计:
软件设计的开发环境是KEIL MDK 4.0,LED控制系统主控制器的主函数流程如图5所
示:
系统上电初始化后,液晶显示器进入数据通道选择界面,通过显示控制面板上的按键I使1602液晶显示器上显示的通道数在0-9之间切換,O代表9路数据通道全部选通,此时显示控制面板同时控制鸡舍内9列叠层式笼具的接收端的PWM输出,而数字1-9则表示仅对 数字对应的那列PWM输出进行控制。设定好数据通道后按下控制面板上的按键2进入发送模式选择界面,继续使用按键I使发送模式在O和I之间切换(O :手动I :自动),如果设定为自动模式,按下按键2即可按照默认的PWM设置直接发送控制指令,如果设定为手动模式则按下按键2后液晶显示器进入PWM手动设置界面,手动设置好PWM数值后再发送。
[0036] LED控制系统接收控制终端上电初始化后,系统自动检测nRF24L01模块并将其配置为接收模式,其主要工作流程如图6所示:
接收控制終端接收来自主控制器的信息并确认本通道是否被主控制器选中,如果没有被选中,则继续保持查询状态。如果被选中则进行模式判断,在模式判断中如果是自动模式则按照默认的PWM值输出到LED驱动电源模块。如果是手动模式则接收手动控制指令,按照手动设定的PWM值输出到LED驱动电源模块。

Claims (10)

1. ー种LED照明无线控制系统,其特征在于:该系统包括主控制器(I)和ー组接收控制終端(2 ),主控制器(I)通过无线信号与一组接收控制终端(2 )连接并对LED进行控制。
2.根据权利要求I所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述主控制器(I)包括显示控制模块(11 )、主控MCU系统电路板(12 )和射频发送模块(13 ),显示控制模块(11)和射频发送模块(13)均与主控MCU系统电路板(12)连接。
3.根据权利要求2所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述显示控制模块(11)包含配有液晶显示屏及控制按键,显示控制模块(11)通过控制按键对主控MCU系统电路板(12)产生控制指令并传递给射频发送模块(13);射频发送模块(13)将接收到的控制指令以及自身物理地址信息发送给接收控制終端(2),并接收来自接收控制终端(2)的应答信号。
4.根据权利要求I所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述接收控制终端(2)包含接收MCU系统电路板(22)、射频接收模块(23)和LED驱动电源模块(21),与射频发送模块(13)相适配的射频接收模块(23)将接收到的信号传送给接收MCU系统电路板(22),所述接收MCU系统电路板(22)根据接收到的控制指令,配置相关的定时器输出通道,输出合适的PWM信号给LED驱动电源模块(21)对LED进行控制。
5.根据权利要求2或4所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述主控MCU系统电路板(12)和接收MCU系统电路板(22)均包含MCU芯片、调试单元、存储单元、复位电路単元,所述MCU芯片为核心単元;所述调试単元用来调试应用程序;所述存储単元用来存储显示信息和控制指令;所述复位电路单元用来为系统复位。
6.根据权利要求5所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述MCU芯片采用高性能、低成本、低功耗的嵌入式的基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列微控制器。
7.根据权利要求5所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述MCU芯片定时器工作在PWM模式,每个定时器输出通道产生的PWM信号的周期和占空比通过设置相应的寄存器中的值进行设定。
8.根据权利要求5所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述调试单元采用MAX3232串ロ调试接ロ ;所述存储单元采用EEPROM存储芯片。
9.根据权利要求4所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述LED驱动电源模块(21)是基于PWM调光的LED电源,采用恒流、恒压、隔离型的驱动模式,单路输出。
10.根据权利要求I所述的LED照明无线控制系统,其特征在于:所述主控制器(I)和接收控制終端(2)均设有电源模块。
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