无线调控LED照明系统设计

　　0 引言

　　LED照明具有节能、环保、寿命长等明显优势，随着价格的下降，近年来普及速度明显加快，与此同时，LED照明控制技术也得到较快发展。新型LED控制系统综合运用微控制器、无线通信、传感器等技术手段，实现多参量、智能化、场景化照明控制，能够营造出富有艺术感的光线氛围，带给人们美的享受，也能最大限度提高电能利用率，达到节能降耗的效果[1~7]。由于造价等方面的原因，目前LED照明控制系统主要用于户外公共照明、景观照明、舞台灯光控制等场合[8~9]，家用LED基本还是以功能性照明为主，多数仍沿用传统的简单开关控制，光强和色温基本上固定不变，难以满足家庭用户个性化、艺术化的照明需求。

　　本文设计的LED照明控制系统，采用性价比较高的微控制器、恒流驱动器和无线收发器，利用PWM调光和RGB混色技术产生不同的光强和色温效果，具有操控性好、配置灵活、成本较低等优点，可满足家用LED场景化照明的基本需求，对促进家用LED照明的普及具有积极意义。

　　1 总体结构

　　LED照明调控系统由无线遥控器和多个LED调光器组成，均采用以微控制器为核心的硬件架构，如图1所示。两种设备通过无线收发器实现通信，通信协议为自定义类型。用户利用遥控器提供的人机交互界面，设置期望的照明场景，并以指令数据包的形式发送给调光器。调光器收到指令后，实时调整R、G、B3路LED驱动器的PWM占空比，相应地改变红、绿、蓝色LED灯的功率配比，通过混色，产生用户期望的光强和色温效果[10~14]。场景存储器用于存储多套场景数据，用户以场景编号为索引，借助遥控器交互界面完成场景创建与编辑操作。

　　图1 系统结构示意图

　　微控制器选型是系统硬件设计的基础。为保证LED调光的平稳性，要求微控制器具有3路硬件PWM输出口，且由同一时钟源驱动。另外，为提高遥控器电池使用效率，要求微控制器支持纳瓦级睡眠模式并可通过按键快速唤醒。结合硬件通用性、开发手段、货源、性价比等因素综合考虑，决定采用STC12LE5410AD作为遥控器和调光器的主控器。STC12LE5410AD为80C51内核的单时钟/机器周期微控制器，同等晶振条件下，工作速度比普通80C51芯片快8~12倍。

　　无线收发器有ASK、FSK、PSK等不同调制类型，有些还支持标准的无线网络协议，例如IEEE802.15.4、Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth协议，可根据具体应用需求加以选择。对较小规模的LED无线调控系统而言，可采用性价比较高的非标准协议芯片。nRF24L01+是NORDIC公司推出的低功耗2.4GHzISM频段无线收发芯片，采用GFSK调制方式，支持126个通信频道和最高2Mbps空中传输速率，内置EnhancedShockBurst数据链路层协议，可自动完成打包拆包、地址判别、CRC校验、应答、重发等工作，有效减轻了主处理器负荷[15]。nRF24L01+的性能已在无线键盘、无线鼠标等产品中得到验证。

　　2 硬件电路

　　图2为无线遥控器的具体电路。STC12LE5410AD工作频率定为12MHz，使用3V电池供电，支持外部RC、内部低压检测及看门狗多种复位方式。显示采用SPI接口的TFTLCD模块，分辨率为320×240。LCD模块自带SD卡接口，除场景表外，LCD显示所需的汉字库也存储在SD卡中。按键K1~K7用于交互式输入，所连接的口线均支持中断唤醒功能。nRF24L01+采用SPI控制接口，另有CE、IRQ两条独立的联络线，其中CE用于工作模式控制(与相关寄存器控制位相配合)，IRQ用于收发状态指示。

　　STC12LE5410AD的SPI信号线MOSI、MISO、SCK为nRF24L01+、LCD、SD卡所共享，口线P11、P12、P13用于三者的独立片选，P32为nRF24L01+的IRQ中断输入口，P10控制蜂鸣器，P22、P23、P21控制LCD的复位、数据/命令通道选择和背光源。

　　图3为调光器的硬件电路。无线收发部分与遥控器相同，故从略。STC12LE5410AD具有基于同一时钟源的4路可编程计数器阵列(PCA)模块，可用于软件定时器、输入脉冲捕捉、方波输出或PWM输出，这里将其对应的P37、P35和P20作为3路LED驱动器的PWM控制口(图中仅画出1路)。LT3756为新型大功率LED驱动芯片，输入电压6~100V，外接N沟道MOS-FET，可在12V输入条件下驱动20个1A的白光LED，效率超过94%，频率范围为100kHz~1MHz。LT3756采用TrueColorPWM调光技术，调光范围可达3000:1。为方便LED驱动器的PWM功能调试，电路中设计了5个按键，也可将其用于系统运行过程中照明场景的手动调节。

　　图2 遥控器硬件原理图

　　图3 调光器硬件原理图

　　3 软件设计

　　遥控器的软件流程如图4所示。上电/复位并执行完初始化相关操作后，STC12LE5410AD即进入休眠状态。任一按键按下后，STC12LE5410AD被唤醒，转而执行人机对话、信息存取、数据发送等任务，之后再次进入休眠。采用这种低占空比方式，可将遥控器平均工作电流降到1uA以下，显著延长了电池续航时间。

　　图4 遥控器软件流程图

　　人机对话过程包括界面显示、场景选择、场景配置、效果预览等任务，为达到友好、便捷、所见即所得的交互效果，菜单结构、画面显示、切换方式、输入响应的设计要坚持以人为本，充分照顾一般用户的心理和操作习惯，还要根据用户反馈不断进行优化[16]。

　　图5为nRF24L01+数据包的格式。前导字、CRC分别用于接收同步和数据包校验，包控制域由有效载荷(这里指场景数据)字节数、包标识符和ACK应答使能位组成，调光器ID用于区分遥控对象。场景数据前3个字节为RGB配比，后2个字节为定时参数，其中0x0000表示立即关闭LED，0xFFFF表示场景照明立即启用，直到下次收到关闭LED指令，其他值表示场景照明立即启用，延时该值对应时长(以分为单位)后自动关闭LED。

　　图5 无线传输数据包格式

　　图6为调光器的软件流程。调光器上电/复位后先执行初始化相关操作，然后关闭LED(场景复位)。一旦收到遥控器发送的场景数据并确认有效，即产生新场景规定的光强、色温和定时效果。

　　图6 调光器软件流程图

　　遥控器与调光器的软件开发环境为KeilC51，编程采用C语言，最终生成的HEX代码文件利用STC_ISP编程工具和串口数据线下载到STC12LE5410AD程序存储器中。

　　4 结语

　　本文设计的LED照明调控系统较好地实现了LED照明实用性与艺术性的统一，系统运行稳定，人机界面友好。与采用DALI、DMX512、ZigBee、GPRS等有线或无线协议的LED调控系统相比，性价比优势明显，在家用LED照明领域具有较高的推广价值。

　　LED照明的智能化、场景化控制，满足了人们对家用照明的多元化、个性化、艺术化消费需求，体现了以人为本的发展理念。另外，光照资源的按需配置，也有助于提高电能利用率，减少能源浪费，改善人与环境的关系，对建设低碳社会具有积极意义。

编辑：Cedar