CN105813280B - 一种基于物联网的led灯控制系统及方法 - Google Patents

一种基于物联网的led灯控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的LED灯控制系统及方法，该系统包括：终端设备节点装置，网关板节点装置和Android终端设备，其中，终端设备节点装置包括：取电电路，其耦接电池‑在线供电切换电路与充电电路，电池‑在线供电切换电路耦接控制电路，控制电路耦接ZigBee无线通信模块，ZigBee无线通信模块耦接光电隔离电路；网关板节电装置包括：ZigBee路由器，ZigBee协调器，以及与PC机连接的串口通讯电路；Android设备通过WIFI、BlueTooth和/或LTE与终端设备节点装置，网关板节点装置进行连接。本发明具备通过Android智能手持终端实现了集群LED灯具开关及亮度控制的优点。

Description

一种基于物联网的LED灯控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于物联网的LED灯控制系统及方法。
背景技术
随着照明行业的不断发展，以及人们对健康舒适生活的追求，智能化LED照明系统将成为人们日常的主流选择。但是目前LED灯还存在诸多问题，比如整体光效最高不超过80lm/W的问题，LED照明的光衰等问题，以及灯光控制管理方式落后导致电能浪费、使用寿命缩短以及对人体健康存在危害的问题。
另外，现有技术通常采用继电器控制方式，而继电器作为一种传统的控制方式存在诸多缺点：第一，使用次数有限，使用寿命一般为10万次左右，进口的有30万次，寿命相对较短；第二，控制继电器一般需要几十个毫安的电流，工作期间需要一直通电，对电能造成极大的浪费；第三，伴随着继电器的使用次数增加，元器件迅速老化，会对场所安全构成极大的威胁。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于物联网的LED灯控制系统，其能够通过Android智能手持终端实现了集群LED灯具开关及亮度控制。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，包括：终端设备节点装置，网关板节点装置和Android终端设备，其中，所述终端设备节点装置包括：取电电路，所述取电电路耦接电池-在线供电切换电路与充电电路，所述电池-在线供电切换电路耦接控制电路，所述控制电路耦接ZigBee无线通信模块，所述ZigBee无线通信模块耦接光电隔离电路；所述网关板节电装置包括：ZigBee路由器，ZigBee协调器，以及与PC机连接的串口通讯电路，所述ZigBee路由器为WIFI模块；所述Android设备通过WIFI、BlueTooth和/或LTE融合网络与所述终端设备节点装置，网关板节点装置进行连接。
本发明的另一目的在于提供一种基于物联网的LED灯控制方法，其特征在于，包括：网关板节点装置将Android设备接入WIFI，并进行启动；Android设备在接入WIFI网络后，由终端设备节点装置扫描附近所有LED照明灯设备，并通过MAC地址识别后，将指定场所的LED照明灯接入控制系统中，然后，实现LED照明灯设备开关的无线控制，并反馈开关状态。
本发明相对于现有技术具有以下实质性特点和进步：
第一，基于ZigBee的智能灯硬件设计，终端设备节点装置实现开关的无线控制，并反馈开关状态；网关板节点装置实现接入WIFI和启动、控制网络的功能，实现了控制的智能化。
第二，ZigBee的通信机制，当系统允许加入一个设备时，ZigBee协调器会将终端设备直接加入网络ZigBee协调器将会作为整个网络的父设备存在，路由器只作为扩展网络覆盖面的存在，不会作为父设备加入子设备，操作方便。
第三，Android智能手持终端接入WIFI、ZigBee网络以及进行对LED照明灯的控制，不仅实现了集群LED灯具开关及亮度控制，而且能够对灯具的实时无线监控，将有利于提高对LED灯管控的实时性、高效性和照明安全质量。
附图说明
图1为本发明的基于物联网的LED灯控制系统的流程示意图；
图2是本发明的取电电路的电气原理示意图；
图3是本发明的电池-在线供电切换电路的电气原理示意图；
图4是本发明的控制电路的电气原理示意图；
图5是本发明的ZigBee无线通信模块的电气原理示意图；
图6是图5所示电路的8051系统上电电路的示意图；
图7是本发明的PCB的U形控制板的实施例示意图；
图8是本发明的CC2530的引脚连接图；
图9是本发明的WIFI通信模块连接原理示意图；
图10是本发明的串口通信电路的示意图；
图11是本发明的基于物联网的LED灯控制方法的流程图；
图12是图11所示方法的ZigBee协调器直接加入终端设备的操作示意图；
图13是本发明的Android设备使用Socket的子线程示意图；
图14是本发明的Android设备使用Socket的主线程示意图；
图15是本发明的Android设备的操作效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参照图1，本发明的基于物联网的LED灯控制系统包括：终端设备节点装置，网关板节点装置和Android终端设备，其中，所述终端设备节点装置包括：取电电路，所述取电电路耦接电池-在线供电切换电路与充电电路，所述电池-在线供电切换电路耦接控制电路，所述控制电路耦接ZigBee无线通信模块，所述ZigBee无线通信模块耦接光电隔离电路；所述网关板节电装置包括：ZigBee路由器，ZigBee协调器，以及与PC机连接的串口通讯电路，所述ZigBee路由器为WIFI模块；所述Android设备通过WIFI、BlueTooth和/或LTE融合网络与所述终端设备节点装置，网关板节点装置进行连接。
在有WIFI网络的情况下，Android设备的App首先询问是否接入WIFI网络或接入蓝牙或使用3G流量进行控制。接入网络之后，程序会扫描附近所有LED照明灯设备，并通过MAC地址识别后，将指定场所的LED照明灯接入控制系统中，App上将显示当前所有LED照明设备的开关状态，并可以通过点击“开关”Button控制场所内LED照明的亮灭，通过SeekBar(拖动条)的拖动控制灯光的照明亮度；通过“状态栏”显示开关状态。
如图2所示，本发明的取电电路是将220V交流电转换成稳定的5V直流输出电源，5V直流电源可以为电池进行充电，也可以经过转化变成3.3V以后直接供CC2530控制模块使用。
本实施例的取电电路包括：整流桥D1，所述整流桥耦接二极管D2的正极与二极管D4的负极，所述二极管D2的负极耦接电感L1，所述电感L1耦接电容C1与稳压管D3，并与三端稳压集成模块U1进行耦接。
优选地，220V交流电(由AC1和AC2接入)经整流桥D1整流后变换成 直流电，输出电压Uout为输入有效电压的0.9倍，即输出电压有效值为198V。为了得到稳定的5V供电电压，使用5V稳压管D3远远不够，还要使用三端稳压集成电路LM7805对电压进行稳定输出，以防止电压波动对CC2530控制系统造成破坏，增强电路稳定性。
如图3所示，本发明的电池-在线供电切换电路的功能是实现外接电池供电与在线供电方式的切换。
本实施例的电池-在线供电切换电路包括：电池接口P3，三极管Q2，Q3，Q4与Q5，Q2的发射极耦接电池的正极，集电极与二极管D5的负极耦接，基极耦接电阻R7，电阻R7与电阻R8与R9进行耦接，R8与电阻R10进行耦接，R10耦接至Q4的集电极，R9耦接至Q3的集电极，Q3的基极与R11耦接，Q4的基极与R12进行耦接，R12与二极管D7的负极进行耦接，D7的正极与二极管D12的负极进行耦接，D12的正极与D13的负极进行耦接，D13的正极与电阻R24与R25进行耦接，二极管D5、D8，以及电容C5与稳压器进行耦接。
优选地，P3口为电池的接入接口(5V)，标有5V字样的地方为220交流电整流稳压之后输出5V电压源的接入口。当没有5V电压输入时，电池正极BAT(+3.3V)Q3(NPN)导通，进而使Q2(PNP)导通，从而获得V3.3(3.3V)的正向电压，供ZigBee使用；当有5V输入电压时，Q4(NPN)导通，使Q3基极电压降低，Q3截止，进而使Q2截止，从而关闭电源输入，使供电电源切换到在线供电状态。5V电压通过AMS1117-3.3(三端可调或固定电压3.3V)输出所需3.3V电压。state为切换状态标志，当切换到5V供电状态时state为高电平，切换到电池供电时state为低电平。
如图4所示，本发明用过零触发双硅输出光耦芯片MOC3063与双向可控硅的结合控制方式代替传统的继电器控制方式。
本实施例的控制电路包括：四异或门逻辑芯片，其耦接开关S1，还包括过零触发双硅输出光耦U2，所述U2耦接三端双向交流开关。
优选地，TRIAC仅需一个触发电路，是较为理想交流控制开关，采用TRIAC控制只需要在光耦控制端输出5个毫安即可，需要电流很小，且TRIAC还具有反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高， 成本低等优点。
优选地，为了兼顾控制电路的实用性和稳定性，本专利采用了两种并行控制方式。一种方式是通过ZigBee发出信号控制，一种是传统的机械控制开关，当ZigBee控制电路发生故障时仍可以采用传统的机械开关(图4中S1)独立控制，不会影响照明电路的正常使用。两种信号采用异或电路(四异或门逻辑电路芯片芯片：HD74LS86P)实现了两种信号的协同控制，避免了发生控制紊乱的状况。图中JP2为LED灯座的接入点，AC1和AC2为交流电的接入点。
如图5所示，本实施例的ZigBee无线通信模块控制核心采用的是TI公司生产的CC2530芯片，ZigBee和RF4CE applications的片上系统(SoC)解决方案。基于CC2530芯片的ZigBee可以协调数千微型传感器通过IEEE 802.15.4控制协议实现即使通信，是一种具有低复杂度、低功耗、低成本、低速率、自组织的近距离无线传输技术。
优选地，采用IEEE 802.15.4定义了PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层)，ZigBee定义了NWK(网络层)和APL(应用层)。
优选地，CC2530芯片集成了增强型的8位8051CPU内核，结合了RF收发器。在其最小系统之中，存在32M(图6中X2)和32.768Khz(图6中X1)两种晶振，考虑本专利装置的节能，所以采用低速晶振(32.768Khz)维持工作的PM2睡眠模式进行工作，最大限度的减少电能的浪费。增强型8051CPU内核以每个时钟周期为一个机器周期，去除了被浪费掉的总线状态方式，所以执行速度比标准的8051更快。此外，结构也做了一定程度的改进，采用了另一种数据指针，同时扩展了18个中断源，分为6个中断组，每个都与四个中断优先级之一关联，即使设备处于睡眠模式也能提供中断请求(供电模式0执行)，这就使CC2530能够处理更多的数据请求，可以在低功耗模式下运行。
本发明的PCB板在电路之外设计上外壳和物理开关就可以完全替代传统的机械式开关。矩形控制板的天线设计为外接独立2.4G 12dbi无线全向高增益天线，为了加强穿墙效果，还可以用CC2590增强天线的发射功率。如图7所示，对于不想更换开关的用户来说，本实施例提供了另一种可以嵌入传统机械式开关的U型控制板。此板可以直接插入到普通开关的背面，厚度只有不到1mm。为了便于镶嵌与节省空间，U型板的天线设计采用了板载式倒F鞭型设 计，尺寸如下表所示，倒F型天线的最大增益测量值为+3.3db，总体规模为25.7×7.5mm。因此，倒F型天线是一种低成本、结构紧凑、高性能的天线。
H1 ５.70mm W2 0.46mm
H2 0.74mm L1 25.58mm
H3 1.29mm L2 16.40mm
H4 2.21mm L3 2.18mm
H5 0.66mm L4 4.80mm
H6 1.21mm L5 1.00mm
H7 0.80mm L6 1.00mm
H8 1.80mm L7 3.20mm
H9 0.61mm L8 0.45mm
W1 1.21mm
如图8至图10所示，网关板节电装置有两个主要的部分组成：一个是WIFI模块，作为ZigBee网络的路由器使用，一个是CC2530控制模块，作为协调器使用，还有与PC机连接进行串口调试的RS232TOTTL通讯模块。CC2530控制模块负责连接WIFI、3G模块和调试串口，是本装置的控制核心，发出去的数据需要与Android软件进行数据交互，同时负责这个网络的启动和控制，在CC2530控制系统周围，本专利为了使用串口进行调试。优选地，串口通信电路采用MAX3232作为电平转换芯片，将3.3VTTL转5VTTL，13、14为3G模块接口。而图9为CC2530的引脚连接只用TX和RX两个读写引脚(包括WIFI和串口连接)就可以了。WIFI通信模块的采用的是RM04Module。
图11是本发明的基于物联网的LED灯控制方法的流程图，包括：S11，网关板节点装置将Android设备接入WIFI，并进行启动；S12，Android设备在接入WIFI网络后，由终端设备节点装置扫描附近所有LED照明灯设备，并通过MAC地址识别后，将指定场所的LED照明灯接入控制系统中，然后，实现LED照明灯设备开关的无线控制，并反馈开关状态。
图12是图11所示方法的ZigBee协调器直接加入终端设备的操作示意图，如图所示，当系统允许加入一个设备时，ZigBee协调器会将终端设备直接加入网络，而不是通过MAC层关联加入系统网络，ZigBee协调器将会作为整个网络的父设备存在，路由器只作为扩展网络覆盖面的存在，不会作为父设备加入子设备。
采用ZigBee协调器将终端设备直接加入物联网的步骤包括：
协调器将NLME-DIRRECT-JOIN.request(设备地址)初始化，加入原语中的DeviceAddress参数；收到设备地址后，系统首先判断新设备是否已经存在原网 络中，若存在则停止该过程，发送关键字为ALREADY_PRESENT的Status参数；若不存在，NLME将会为新设备分配一个16位的网络地址，并会向上层发送SUCCESS的Status关键字。这样用户就可以根据收到的状态关键字操作listview。
请参照图13至图15，本发明的Android手持终端软件的设计：Android app首先连接网关板上的WIFI，从而接入ZigBee控制网络，当点击软件中查询按钮时，socket会获取系统节点中IEEE地址，如果此地址未在sqlite数据库列表中，则视为新设备，系统会对新设备进行默认编号处理，并刷新列表，客户可以根据需要修改设备的备注信息，以满足客户的体验要求。在等待WIFI数据时，本软件会开设单独的子线程使用Socket完成数据通信并通过Handler机制发送的Message通知主线程。此外，通过长按设备名称，可以通过弹出的对话框删除设备。
优选地，扫描到的设备在状态栏会显示所有设备的当前的开关状态，当客户点击设备时就可以对设备进行“开/关”的操作，并在后面状态信息中及时更改设备状态，告诉客户当前操作的设备的开关情况。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，包括：终端设备节点装置，网关板节点装置和Android设备，其中，
所述终端设备节点装置包括：取电电路，所述取电电路耦接电池-在线供电切换电路与充电电路，所述电池-在线供电切换电路耦接控制电路，所述控制电路耦接ZigBee无线通信模块，所述ZigBee无线通信模块耦接光电隔离电路；
所述网关板节电装置包括：ZigBee路由器，ZigBee协调器，以及与PC机连接的串口通讯电路，所述ZigBee路由器为WIFI模块；
所述Android设备通过WIFI、BlueTooth，和/或LTE融合网络与所述终端设备节点装置，网关板节点装置进行连接；
其中所述Android设备扫描附近所有终端设备节点装置并通过MAC地址进行识别后，将预设的终端设备节点装置添加到Android设备的控制系统中，并显示当前所有终端设备节点装置的状态，以使用户通过点击开关按键控制该终端设备节点装置的导通/关闭，并通过拖动条控制照明亮度；
其中，所述Android设备扫描附近所有终端设备节点装置并通过MAC地址进行识别后，将预设的终端设备节点装置添加到Android设备的控制系统中，具体包括：
采用ZigBee协调器将终端设备直接加入物联网，具体为：
协调器将设备地址NLME-DIRRECT-JOIN.request函数进行初始化，加入原语中的设备地址参数；收到设备地址后，系统首先判断新设备是否已经存在原网络中，若存在则停止该过程，发送关键字为ALREADY_PRESENT的状态参数；若不存在，则NLME-DIRRECT-JOIN.request函数将会为新设备分配一个16位的网络地址，并会向上层发送成功的状态关键字。
2.如权利要求1所述的基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，所述取电电路包括：整流桥D1，所述整流桥耦接二极管D2的正极与二极管D4的负极，所述二极管D2的负极耦接电感L1，所述电感L1耦接电容C1与稳压管D3，并与三端稳压集成模块U1进行耦接。
3.如权利要求2所述的基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，所述电池-在线供电切换电路包括：电池接口P3，三极管Q2，Q3，Q4与Q5，Q2的发射极耦接电池的正极，集电极与二极管D5的负极耦接，基极耦接电阻R7，电阻R7与电阻R8与R9进行耦接，R8与电阻R10进行耦接，R10耦接至Q4的集电极，R9耦接至Q3的集电极，Q3的基极与R11耦接，Q4的基极与R12进行耦接，R12与二极管D7的负极进行耦接，D7的正极与二极管D12的负极进行耦接，D12的正极与D13的负极进行耦接，D13的正极与电阻R24与R25进行耦接，二极管D5、D8，以及电容C5与稳压器进行耦接。
4.如权利要求3所述的基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，所述控制电路包括：四异或门逻辑芯片，其耦接开关S1，还包括过零触发双硅输出光耦U2，所述U2耦接三端双向交流开关。
5.如权利要求4所述的基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，所述ZigBee协调器为CC2530控制模块。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的基于物联网的LED灯控制系统，其特征在于，还包括矩形控制板，或U形控制板，
所述矩形控制板外接独立2.4G12dbi天线；
所述U型控制板的天线为倒F型。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述的系统的基于物联网的LED灯控制方法，其特征在于，包括：
网关板节点装置将Android设备接入WIFI，并进行启动；
Android设备在接入WIFI网络后，由终端设备节点装置扫描附近所有LED照明灯设备，并通过MAC地址识别后，将指定场所的LED照明灯接入控制系统中，然后，实现LED照明灯设备开关的无线控制，并反馈开关状态。
8.如权利要求7所述的基于物联网的LED灯控制方法，其特征在于，所述实现LED照明灯设备开关的无线控制，并反馈开关状态的步骤包括：在Android设备上显示当前所有LED照明设备的开关状态，并通过点击控制场所内LED照明的亮灭，通过拖动控制灯光的照明亮度，和/或通过状态栏显示开关状态。
9.如权利要求8所述的基于物联网的LED灯控制方法，其特征在于，所述通过MAC地址识别的步骤包括采用ZigBee协调器将终端设备直接加入物联网。
10.如权利要求9所述的基于物联网的LED灯控制方法，其特征在于，所述采用ZigBee协调器将终端设备直接加入物联网的步骤包括：
步骤一，ZigBee协调器初始化设备地址，加入设备地址参数；
步骤二，判断新设备是否已经存在原网络中，若存在则停止该过程，发送关键字为ALREADY_PRESENT的状态参数；若不存在，NLME-DIRRECT-JOIN.request函数将会为新设备分配一个十六位的网络地址，并会向上层发送成功的状态关键字。
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