基于物联网的智能照明系统如何设计？
照明系统是智能家居领域最为重要的组成部分，随着科学技术快速发展，如今人类对于照明系统的要求已不再是传统、简单的视觉层面的明暗表现，而是变为对富有美感、极具智能化照明方案的极致追求。当下LED照明已进入智能时代，越来越多的人开始考虑如何节约电能，享受多样化照明功能带来的时尚美感与舒适性，提高照明系统实用效率。但是，传统的照明系统功能单一、能耗高、线路烦琐，无法满足智慧生活高品质要求。物联网的出现，让Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IOT等无线通信技术的融合成为可能。
1 系统总体控制方案
1.1 设计原理
“照明”是人类生活的基本需求，随着物联网技术快速发展与变革，智能化LED照明在医学抗抑郁症治疗（情绪调节）、家庭氛围调节、景观照明以及智能楼宇照明控制等方面实现了广泛应用，但是对于智慧生活家庭而言，智能化LED照明更需要控制方案的个性化与集成化，比如，传统的灯具使用寿命短，对环境和人体污染危害大，所以设计一款能实现灯光软启动、强弱调节、定时控制以及场景设置等多样化功能的LED灯控制方案就十分重要[3]。基于此，本研究基于物联网四层架构，应用现代网络技术、传感技术、智能控制技术以及自动软件技术等，将感知层、控制层、网络层及综合应用层集成到一体，以单片机为核心，由各种传感器、智能照明终端和网络通信终端等，组成了可完成对灯的亮度、颜色以及周围环境进行智能感知与实时监测控制的各级智能硬件和网关，然后借助网络及现场控制软件，实现对照明系统的远程综合控制，智能照明方案拓扑图如图1所示。
1.2 系统架构
本系统采用模块化设计思想，主要由感知层、控制层、网络层和综合应用层四层组成，同时可支持ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议，借助物联网智能网关，可实现对上述多种通信协议的互换，同时还设计了同时支持人体传感、红外测距传感以及光敏传感、声音传感的多种智能传感器，在支持对LED灯光远程控制与智能控制基础上，让本系统应用场景和方案更加广泛。
2 硬件功能设计
2.1 智能网关硬件模块
智能网关硬件模块是现场ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议之间实现顺利转换的中枢，它分别包含串口拓展模块、主控芯片模块以及各通信硬件协议栈三大结构，可支持对上述协议的智能鉴别与转换。其中，智能网关硬件中的主控芯片采用国产GM8125芯片，由于主控芯片外设资源较多，但该模块只有三个串行口，为了丰富串口扩展器，该芯片将主控制器三个串行口一扩为五，共有15个串行口，而每个主控芯片均与GM8125一扩五芯片相连，构成不同的硬件协议栈，然后基于每个串行口端口地址来针对不同的硬件协议类型进行有效识别，由此顺利实现对对应层中相关的软件模块控制程序数据进行解析[6]。因本智能照明系统RL78/I1A单片机有专用引脚，且支持DALI协议，因此主控芯片直接连接RL78/I1A单片机的DALI硬件协议栈，而无须通过GM8125串口扩展芯片。
2.2 现场控制智能硬件
基于物联网架构的智能照明系统现场控制智能硬件主要负责的工作内容是：
（1）采集信息感知层的相关信号;
（2）按照系统预设阈值和用户的控制决策指令，对各类使用场景中的智能LED灯进行远程和现场智能控制;
（3）作为远程服务器终端，对系统智能网关硬件模块上传的控制命令信息进行分析和存储，从而实现对智能LED灯的调控。
在上述功能开发基础上，在硬件设计过程中，同时还在现场控制智能硬件的信息感知层设计了异常报警功能模块，当用户智能家居使用场景中的电源供电不足或者电路发生异常时，系统的信息感知层通过收集异常故障信息，主动发起通信，通过Wi-Fi即可实时给用户或者安全操作员及时发送相关的故障信息及报警指令。
2.3 信息感知采集模块
信息感知层主要工作是采集现场周围的环境信息，然后针对智能家居环境中采集到的信息进行预处理，并实时传给现场控制智能硬件模块，经过对感知信息的进一步处理与分析，实现对LED照明系统的智能化控制。本系统的物联感知层可同时感知智能家居周围环境中的红外信号、光敏源、声音源、人体健康信息等，基于感知层的数字传感器，采集上述信息，然后通过与控制器相连接，从而直接经过串口进行相关数据传送[7]。
3 软件控制流程设计
本智能系统软件模块分别与该系统物联网架构中的感知层、控制层、网络层和应用层相对应，由于本系统可同时支持ZigBee、以太网、DMX512、Wi-Fi、DALI、PLC等多种通信协议，因此本研究开发制定了一套能够同时针对智能LED灯进行亮度控制、颜色调节、延迟开关灯控制以及饱和度设置的完整的智能灯控系统通信协议，该通信协议接口简单，可预设不同的用户情境模式，并支持远程访问，可对智能LED灯组进行分别控制，较好地覆盖和满足了现代人工智能照明领域所有的智能照明控制功能，如图3所示为本智能系统软件模块主控程序发起的即时通信的控制程序。
4 系统测试
在完成上述所有硬件与软件设计任务之后，为了确保本智能系统能够实现安全、经济、可靠运行，本研究将对系统硬件部分及软件部分分别进行功能测试。本系统测试平台包括示波器、PC、串口调试软件、万用表以及智能手机、网络调试助手等。
4.1 硬件测试
4.2 软件测试
5 结 论
基于感知层、控制层、网络层和综合应用层四层架构的模块化设计思想，开发设计了一款集智能网关、现场控制智能硬件、信息采集模块为一体的物联网智慧照明系统。经过对LED智能照明系统分别进行电性能、电气指标、调光、待机功耗优化及无线组网操作测试，结果表明，本系统在1%～100%的调光范围内，系统的待机功耗极低，电气性能的各项技术指标表现优秀，系统各软硬件模块的组网功能、调光线性度和兼容性参数均满足实际应用要求，本系统还可根据用户需求进行容量扩展，更加节省硬件资源，便于后期升级维护，且基础照明、物联网通信以及服务控制等各项功能运行可靠，满足设计要求。
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