基于Zigbee技术的LED灯光控制器的设计及应用

基于Zigbee技术的LED灯光控制器的设计及应用（共2篇）

1.基于Zigbee技术的LED灯光控制器的设计及应用 篇一

LED灯光照明设计开发的发展趋势

居室照明离不开灯具,而灯具是照明的集中反映,它既是完成居室建筑功能、创造视觉条件的工具,又是居室装潢的一部分,是照明技术与建筑艺术的统一体.现代灯具不仅在居室内起照明作用,也是营造居室环境氛围的主要组成部分.利用灯具造型及其光色的协调,能使居室环境具有某种氛围和意境,体现一定的风格和个性,增加建筑艺术的美感,使室内空间更加符合人们心理、生理的需求和审美情趣.LED作为一种新型的照明技术,其应用前景举世瞩目,尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源,必将引起照明领域一场新的革命.自从白光LED出现,无论是发光原理还是功能等方面都具有其它传统光源无法匹敌的优势,因此,LED照明已成为21世纪居室照明领域的一种趋势,LED与传统白炽灯和日光灯一起,为居室照明开辟了崭新的天地.灯具设计的内容与形式主要是光,LED新光源促使照明灯具设计开发的革新,从很大程度上改变了我们的照明观念,使我们可以从传统的点、线光源局限中解放出来,灯具设计的语言和概念可以自由发挥和重新确立,灯具在视知觉与形态的创意表现上具有了更大的弹性空间,居室照明灯具将向更加节能化、健康化、艺术化和人性化发展.一、节能化

研究资料表明,由于LED是冷光源,半导体照明自身对环境没有污染,与白炽灯、荧光灯相比,节电效率可以达到70%以上.在同样亮度下,耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯管的1/2.如果用LED取代我们目前传统照明的50%,每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和,其节能效益十分可观.二、健康化

LED是一种绿色光源.LED灯直流驱动,没有频闪;没有红外和紫外的成分,没有辐射污染,显色性高并且具有很强的发光方向性;调光性能好,色温变化时不会产生视觉误差;冷光源发热量低,可以安全触摸;这些都是白炽灯和日光灯达不到的.它既能提供令人舒适的光照空间,又能很好地满足人的生理健康需求,是保护视力并且环保的健康光源.由于目前单只LED功率较小,光亮度较低,单独使用有时不能达到照明亮度要求,而将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明灯具则具有广阔的应用前景.灯具设计师可根据照明对象和光通量的需求,决定灯具光学系统的形状、LED的数目和功率的大小;也可以将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”,根据组合成的“二次光源”来设计灯具.三、艺术化

光色是构成视觉美学的基本要素,是美化居室的重要手段.光源的选用直接影响灯光的艺术效果,LED在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势;目前彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围,且单色性好,色彩纯度高,红、绿、黄LED的组合使色彩及灰度(1670万色)的选择具有较大的灵活性.灯具是发光的雕塑,由材料、结构、形态和肌理构造的灯具物质形式也是展示艺术的重要手段.LED技术使居室灯具将科学性和艺术性更好地有机结合,打破了传统灯具的边边框框,超越了固有的所谓灯具形态的观念,灯具设计在视知觉与形态的艺术创意表现上,以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题.我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配、光与色的结合,材质、结构设计的优势,提高设计自由度来弱化灯具的照明功能,让灯具成为一种视觉艺术,创造舒适优美的灯光艺术效果.例如半透明合成材料和铝制成的类似于蜡烛的LED灯,可随意搁置在地上、墙角或桌上,构思简约而轻松,形态传达的视觉感受和光的体验,让灯具变成充满情趣与生机的生命体.四、人性化

毋庸置疑,光和人的关系是一个永恒的话题,“人们看到了灯,我看见了光”,正是这句经典的话语改变了无数设计师对灯的认识.灯具的最高境界是“无影灯”也是人性化照明的最高体现,房间里没有任何常见灯具的踪迹,让人们可以感受到光亮却找不到光源,体现了把光和人类生活完美结合的人性化设计.LED灯具积小质轻,可选用不同光色的LED组合成照度柔和的各种模块,任意安装在居室中,居室照明灯具的光源可能来源于地面、墙面、窗台、家具、饰物等.因此,未来居室照明将不再局限于单个灯具,而将由单个灯具照明转化为无照明器具感的整体照明效果的无影灯.不同的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响,人们在很多情况下并不需要很亮的白光,可能黄光或其它颜色的光更适合生理和心理的需要.三基色LED可以实现亮度、灰度、颜色的连续变换和选择,使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜色的光.因此,人们可以根据整体照明需要(如颜色、温度、亮度和方向等)来设定照明效果,实现人性化的智能控制,营造不同的室内照明效果.即使居室中只有LED发光天花板和发光墙面,人们也可以根据各自要求、场景情况,以及对环境和生活的不同理解,在不同的空间和时间选择并控制光的亮度、灰度、颜色的变化,模拟出各种光环境来引导、改善情绪,体现更人性化的照明环境.随着LED技术的进一步成熟,LED将会在居室照明灯具设计开发领域取得更多更好的发展.21世纪的居室灯具设计将会是以LED灯具设计为主流,同时充分体现节能化、健康化、艺术化和人性化的照明发展趋势,成为居室灯光文化的主导.在新的世纪里,LED照明灯具必将会照亮每个人的居室,改变每个人的生活,成为灯具开发设计的一次伟大变革.1W~500W LED通用照明解决方案选择要素

不管是大功率的还是小功率的LED照明应用,一般都由电源、LED驱动器、LED、透镜和基板几部分构成,其中关键的元件是LED驱动器,它必须提供一个恒流输出才能保证LED发出的光不会忽明忽暗、以及不会发生LED色偏现象,它一般接受24V-48V的直流电压输入,但也有一些先进的LED驱动器可直接接受220V市电交流输入.大多数客户都要求采用高性能的LED驱动器,以满足“PF值>0.9”和“+85效率”等即将出台的LED照明规范.LED照明应用的主要设计挑战包括以下几个方面:散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性和消除色偏.这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决.Diodes公司亚太区技术市场总监梁后权指出:“对设计师来说,最大的技术挑战将是高效率要求、光学设计、热管理和提高某些应用的可靠性,如高亮度LED街灯.“在LED照明系统的应用中,除了选择合适的LED产品,一个完整的LED照明设计还要包括光学设计、热设计、产品设计和电气驱动设计.由于LED是低压器件,因此将高压交流供电转换为LED使用的低压恒流驱动将面临许多挑战.”安森美半导体中国区高级应用经理郑宗前指出:“进一步说,为了保证LED照明的优势,LED电气驱动必须是可靠的、高效率的、安全的和低成本的.因此,针对不同的LED照明的应用,首先需要选择正确的驱动电路拓扑结构.”安森美半导体现可以提供从1W到500W功率范围内的全部LED照明解决方案.为了快速推动LED照明市场的起飞,美国国家半导体公司(NSC)最近瞄准了一块非常庞大的白炽灯直接替代市场,即用LED灯直接替代现有家庭或其他应用市场中的白炽灯,并推出了一款针对该市场的直接市电输入LED驱动芯片LM3445.不过,NSC亚太区电源管理产品市场营销经理吴志民表示:“白炽灯已面世很多年,对于许多多年未改的技术标准,我们的家居照明系统一直也在沿用,这个情况并非一朝一夕可以改变过来.例如,基于散热及照明角度等问题,原有的旧式电灯插座或装置并不适宜用来安装LED灯泡.但除了技术问题之外,成本效益也是LED灯无法普及的最大原因.钨丝灯泡及霓虹光管的售价约为US$0.6-0.7/Klm,但目前LED灯的售价仍然高达US$40-50/Klm.”

正如以上所说,由于LED灯必须能够装设在原有的旧式插座之内,因此散热是一个必须克服的大问题.但严格来说,这可以利用机械工程技术解决,LED系统生产商的责任是努力开发新技术,尽量提高LED的亮度(即每单位功率产生的流明量).吴志民自信地说:“我们可以提供功效最高的LED驱动器,以确保可将整个灯光系统的散热量减至最少.”

LED的相对高成本是LED照明市场目前仍难以大规模起飞的主要障碍.例如,英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监Alexander Sommer就说:“大多数小于25W的典型LED照明应用是标志灯、标识灯、以及替代标准的白炽灯和卤素灯.但与现有的荧光灯和白炽灯技术相比,LED初始成本仍然是进入大众市场的一个主要障碍.”

Cytech产品及设计部工程师徐瑞包也认同主要商业化挑战是成本.他说:“目前各种功率的LED照明系统在电路上都是可以实现的,技术挑战来自于终端应用的要求,比如应用于汽车,要考虑到光学设计以及整体散热设计等.商业化部署的挑战则主要来自于LED成本.”

2.基于Zigbee技术的LED灯光控制器的设计及应用 篇二

在此基础上, 本文设计了一套基于Zig Bee的智能灯光控制系统, 该系统充分利用了物联网、互联网等技术, 可以对多个房间的灯光进行自动或者手动控制, 同时可以对房间的环境状态进行监测。

1 灯光控制系统的硬件设计

该智能灯光控制系统由基A10平台、Zig Bee模块、RFID读写器、服务器等部分构成, 其中Zig Bee传感器负责对家庭内部多个房间的灯光控制、环境信息及安全监测, Zig Bee协调器模块将采集到的数据通过USB方式传送给A10平台实时处理, 并将数据上传到网络服务器, 用户通过Web就可以获取相关信息。

1.1 Zig Bee模块

本系统中的Zig Bee模块可以分为协调器、传感器两部分, 传感器将放置在家庭内的不同房间, 用于实现多个房间的灯光控制和环境监测;协调器作为中枢可放置在客厅等位置, 在组网成功后, 协调器将采用轮询的方式分别接收各个传感器传回的数据, 并将数据传送到A10硬件平台。

1.2 A10硬件平台

系统硬件平台以全志的A10处理器为核心, 软件采用Andriod系统, 该平台作为数据流通的中转枢纽, 是各个数据的汇集点, 主要负责数据采集和上传, 通过USB的方式获取各个房间的环境信息、设备安全状况, 对数据进行解析之后, 把数据上传到服务器端。

1.3 服务器

服务器作为数据的存储核心主要完成以下两个方面的工作:1) 接收A10硬件系统平台发送回来的数据, 其中包括各个房间内灯光的状态信息、温湿度等环境监测信息等。2) 将各个房间环境监测数据通过Internet发送到Web端。

1.4 Web浏览器

进入系统进行相关操作后, 后台会连续向服务器发送数据请求, Web服务器则会根据情况返回相应的数据, 接收到的数据会显示在Web网面上, 供用户浏览、查询, 并根据需求进行相关的控制, 进而可以实现家庭内部多个房间的灯光控制以及环境的实时监测等操作。

2 灯光控制系统的软件设计

2.1 服务器的配置与实现

HTTP协议利用JSP技术定义了一种可扩展的消息处理框架, 它提供了一种可通过多种底层协议进行交换的消息结构。系统管理员经过登录成功后可看到自己所管理的家庭内部的相关信息, 包括温度、湿度、烟雾浓度、家庭成员的出入信息等, 其中温度和湿度使用折线图形式进行显示。服务器和WEB端之间用JSON的形式传送数据, WEB向服务器发送请求, 服务端接受了这一请求后, 会把多个房间内传感器采集到的温度和湿度由A10通过Web service存储到数据库当中。

2.2 A10硬件平台设计

A10硬件平台是连接底层和服务器的核心。它通过USB口读取Zig Bee协调器采集过来的数据, 然后对接收到的数据进行解码处理, 处理之后, 请求服务器, 将数据存储到网络数据库中。

2.3 WEB浏览器端设计

该界面是运行在Web端apache-tomcat-7.0.59服务器上的JSP页面, 主要负责灯光控制、环境监测两大功能模块。采用Java EE经典的MVC架构, 利用Http协议、JSON对象、Java隧道通讯等, 与网络数据库进行交互, 异步请求, 将数据展示给用户。

3 系统测试

3.1 外部请求数据测试

Web服务器收到页面发送过来的数据请求后, 会将符合的数据回发并在Web端向用户展示, 以供用户进行查询或者相关控制。

3.2 数据接收测试

经过一段时间的运行可以看到从A10硬件平台发送过来的数据, 这些数据存放在Hash Map中, 以节点为key, 此key下包含所有传感器发回来的数据、以及时间。可以看到, 服务器上的数据库中已经有了多条温温度、湿度、烟雾信息等记录, 表明当前的记录情况良好。

3.3 Web端测试

打开系统Web页面, 输入账号、密码登录成功后可以看到各个房间的温湿度、烟雾浓度等信息的实时状态, 以及灯光控制、温度状态、警报区域、设置等其他操作入口。进入灯光控制页面, 可以通过开关手动控制房间的灯光;或者在设置端设置为自动模式后, 此时会根据室内光线强度自动控制灯光。

4 结论

本系统在研究Zig Bee技术、物联网技术的基础上, 设计了一套智能灯光控制系统, 主要实现了以下功能:1) 实现了通过多种方式远程对家庭内部多个房间的灯光进行控制。2) 驱动了Zig Bee模块工作, 实现了Android系统调用底层硬件的工作。从Android调用Java, 从Java调用C驱动硬件, 解决了跨语言直接数据传递类型不一致的问题。3) web浏览器向服务器定时发送请求, 服务器返回数据给终端, 并且最终将返回的数据渲染在浏览器上, 使得用户对家庭内部的情况一目了然。

参考文献

[1]泽卡斯 (Zakas.Nicholas C.) , 李松峰.Java Script高级程序设计[M].第三版.人民邮电出版社, 2012, 03.