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基于ZigBee技术的智能照明系统设计

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：李聪季乾王鹏坤

[导读] 摘要：随着近年国民经济的快速健康发展，学生、教师在校人数逐年增加。

        （辽宁科技大学 114000）
        摘要：随着近年国民经济的快速健康发展，学生、教师在校人数逐年增加。为了有效保障在校学生和老师的正常教育工作以及学习，学校在改善配电设备方面已经做出很大努力，但是由于学校教室工作人员大多人离开教室，但是却不关灯的现象普遍存在，造成了严重的电力能源消耗浪费。为了充分满足不同学生使用需求，可以根据照明时间不同以及照明使用区域不同室内外照明亮度发生变化等实际情况，智能教学照明亮度控制系统可以对于所有照明设备亮度进行全程自动控制。因此本文主要通过分析在室内照明系统智能控制下的，对于室内LED、室外照明的控制效果进行分析，详细化地探讨了室内ZIGBEE照明通讯控制技术对室内照明系统智能管理控制的重要作用，希望对于今后类似的照明设计工作具有一定的的帮助。
        关键词：智能照明；ZIGBee；LED
        引言
        智能室内照明管理系统控制是一种目前可以广泛用于日常室内灯光照明的新型室内照明控制系统，相较于使用传统照明控制系统，它不仅可以大大降低不必要的照明能源利用损耗，提高照明能源的综合利用率，它可以充分满足各类大、当周围环境的射线光照充足时，教室内的光照强度已经大于这个设定值时，不管是有人或没有人，灯都不会亮，若一个教室内的光照强度已经小于这个设定值，控制管理系统中就会根据现场人数多少来自动确定灯的开关。从清洁节能、节约资源以及学校财政支出等各个多方面角度考虑，学校教室照明的清洁节电利用问题不容忽视。
        一、Led与照明控制结合分析
        为了能够实现对于照明灯光时间、亮度的实时调节，或是需要进行照明相关的实时灯光控制等这些问题，在现代相关的智能电力和高载波有线通讯控制技术，无线通信控制技术，计算机通信技术以及水力电气控制等等技术的不断影响下，照明实时控制都已经能够有效实现时间个性化和应用区域个性化用以控制新的照明应用场景。其中为了充分满足调光响应速度快，等技术要求，系统一般需要采用数字总线远程控制调光方式，数字卤素调节往往用在一种具有多个数字卤素调光器和整流器的数字荧光灯或数字卤素发射灯调光方面。用以同时满足不同环境的灯光照度值的调节和不同区域内灯具采用组合照度调光的两种要求，另外色温值的调节在不同色温的灯中的其表现手法也是存在比较单一的一种情况。
        1.1系统拓扑结构
        通过正确选择合适的控制系统结构拓扑部件结构以及其使用灵活性与设计艺术性，这些都可能是将LED与灯光照明过程控制系统结合的一个关键问题所在。LED通信照明往往需要具有系统接口规模较大，通信节点信道相对较多，且通信节点接口数目也相对较多的主要特点，还要求较高的照明系统动态响应速度。主要从软件结构的控制实现方式为RS485总线过程控制，这在目前的工业照明过程控制软件系统中经常使用的一种方式。通过定时现场巡查和各种注重数据应答性的方式，控制器系统能够实时进行控制传感器需要探测的数值的查询或者保证控制指令的正确发出。
        1.2基于DALI总线的控制方式
        基于DALI总线的功能控制管理方式则可以是另外一种照明应用较为广泛的应用情况，通过针对系统内部的节点总线进行功能编制，满足灵活功能分组，不同类型照明应用单元的多种功能组合控制方式，其中包含有数字指令和数据地址组合而成的各种数据信号，有16种不同照明应用场景等并可以随时进行自动设定，具有比较好的网络兼容性，稳定性和系统可靠性。但是在每个带有DALI的网络集成过程中，一般不可能超过64个，因此不太适用于一些大规模工业照明应用场合。
        1.3 DMX512协议
        DMX512协议在照明led灯光控制系统领域中的应用较为广泛，此系统协议一般是以单位字节为帧，由一个同步头和512个单位字节，部分组成每帧中的数据，其中每帧数据包的发送和信息接收按照了ELA485标准的单向串行传输方式，数据传输控制能力往往甚至可以直接达到250kbit/s，而该系统协议应用领域规模比较大，传输速度也比较快，因此在照明led室内景观灯光照明和室内舞台灯光照明中的系统应用较多，但单向数据传输控制模式往往是该系统协议中的弱点，在灯具中的信息或外部灯光传感器中的信号往往无法被控制系统所充分接受，这样系统相关的室内景观照明的系统智能化管理要求就不能得到满足。
        二、基于Zigbee网络的智能控制系统分析
        在室内无线照明中，ZIGBEE用于无线通讯的分布式无线拓扑网络结构通常能够满足照明系统正常工作时的需要。

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        2.1中央网络控制器
        中央网络控制器主要控制的就是星型网络结构，在网络系统中主要采用有线终端网络控制器和无线网络传感器，包括在整个中央网络控制器中。在对接供电控制线路中，可以对于终端和控制器接口进行一个串联操作。这样LED日光灯具的实际照度就变为可以直接进行亮度平滑调节以及直接完成普通日光灯具的开关亮度控制。
        2.2反馈数据信息处理
        反馈数据信息的采集处理和用于照明应用场景的温度设置都必须是由无线中央温度控制器完成的，无线温度传感器反馈数据的同时，能够通过整个无线网络进行收集，在一定的数学算法逻辑计算下，将随机采集的反馈数据根据各个无线终端中央控制器的温度调节处理指令，进行输入发送到各个相关的无线终端中央控制器。
        2.3无线通讯模块
        无线通讯每个模块儿都可以配备在无线信号传感器和各种的终端无线控制器中，低速、低功率无线协议简单低廉的功耗成本是基于ZIGBEE通讯模块的主要特点，无线通讯模块设计成本相对较低，是因为对终端控制器和芯片速度要求不高的，相对比较简单的无线协议所组成导致的，一般协议传输速度最大为250kb/s。
        2.4自动控制系统
        在自动控制系统方面，为了能够更好的的提高用户的舒适性感受，通过合理的控制系统硬件配置功能得以很好实现，通过采用无线的感应控制模块，现场光传感器的自动光色控制模块，照度控制模块等与LED等技术的相互作用结合可以很好满足要求。在模糊控制计算理论的技术指导下，通过日光检测仪对外界的光照度和操作人员身体流动度的分析，对于日光灯具的亮度调节模糊程度可以能直接进行自动控制计算，同时还可以自动进行调光。
        三、硬件电路组成
        3.1Led可调光恒流驱动模块
        恒流输入驱动芯片模块则一般是选择具有单片式恒流降压型的芯片，例如LM3404，其最大电压有6~42v，还为其配备了具有一个调光信号输入的接口。输出输入负载则一般是由具有5个1w的恒压LED恒流串联电路组成，在正确设计每个电路输出参数值的过程中，进行一个芯片的恒流输入负载电压端的调整操作为24v的恒压恒流输入端，同时还认为应该准备一个LED串联恒流稳压驱动器的电源测试样机。
        3.2ZIGBee无线传输模块
        在具体的网络应用开发过程中，为了能够更好地准确实现网络分布式控制，则通过ZIGBEE各控制节点之间所连接形成的一个网状控制网络，全部多功能控制设备FFD，一般都在每个网络模块中同时进行，配备其中的每个设备数据类型及其值即可设置为网络协调器或网络路由器。一个网络协调器身份仅存于每个人的网络中，所以说在启动这个设备之前我们应该对于网络是否已经存在协调器身份进行判断，当我们确定是否存在时，则我们应该说只有一个路由器的用户身份可以进入这个网络。
        结语
        ZIGBEE，作为一种新兴无线照明传感器和与网络的通信协议，在许多照明行业都已经表现了强大的新生命力，用ZIGBEE给我国智能无线照明远程控制管理系统行业提供一个新的网络平台。在不断完善的国家LED信息技术产业发展规划过程中，配合行业LED的发展智能家居照明相关技术，也已经呈现出巨大的行业技术含量。随着现代社会的不断发展，LED等智能教室照明相关产品现在应该随处可见，这样也对于有效率地降低目前我国大、中专高等院校使用教室智能照明所需要消耗的能源成本有所帮助。
        参考文献：
        [1]袁孟林.基于蓝牙Mesh无线组网技术的智能照明系统的设计与实现[D].山东大学，2019.
        [2]铁静，李蔚.基于物联网技术的地下车库智能照明控制系统设计与应用[J].智能建筑电气技术，2018，12（05）：46-50+4.
        [3]向辉，金虎.基于ZigBee技术的智能应急照明系统设计实现及解决方案[J].电子测试，2017（11）：26-28.
        [4]余文曼.基于ZigBee技术的室内照明系统多效果智能灯的设计和实现[D].上海交通大学，2016.
        基金项目：
        辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目（项目编号：202010146247）。
        作者简介：
        李聪（1999-），男，辽宁省大连市，本科。研究方向：ZigBee智能照明。