基于ZigBee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前室內(nèi)傳統(tǒng)照明電能浪費(fèi)、布線麻煩、系統(tǒng)安裝成本高等諸多問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集射頻與微控制器為一體的片上系統(tǒng)CC2431作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心器件，并結(jié)合TI公司的Z-Stack協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)所有燈節(jié)點(diǎn)的單控、全控、開關(guān)控制、256級(jí)調(diào)光控制以及情景模式轉(zhuǎn)換等功能，同時(shí)提出了一種室內(nèi)多個(gè)LED燈節(jié)點(diǎn)對(duì)定點(diǎn)精確調(diào)光的方案，從而達(dá)到使照明系統(tǒng)更加人性化、安全和節(jié)能的設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；智能照明系統(tǒng)；CC2431

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能家居、家庭自動(dòng)化等早已為大眾所熟知，而智能照明系統(tǒng)作為家庭自動(dòng)化的應(yīng)用之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，傳統(tǒng)照明存在著一系列缺點(diǎn)，如發(fā)光效率低、使用壽命短、布線麻煩、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高效、自動(dòng)化和節(jié)能照明技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求。針對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足，采用無線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的理想選擇。Zjg Bee技術(shù)作為一種新興的近距離無線通信技術(shù)，具有短距離、低功耗、低速率和高可靠性等特點(diǎn)，因而是無線智能照明系統(tǒng)的最佳解決方案。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，房間內(nèi)的每個(gè)照明設(shè)備就是一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，無線遙控節(jié)點(diǎn)可以整體對(duì)室內(nèi)照度設(shè)置幾種默認(rèn)的工作模式和整體任意調(diào)節(jié)亮度，也可以選擇任何單個(gè)燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行照度調(diào)節(jié)以及開關(guān)控制；將遙控節(jié)點(diǎn)放在室內(nèi)某一位置，并設(shè)置一定的照度值，該位置就能達(dá)到相應(yīng)的照度值，而不影響其他區(qū)域的照度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明的智能控制。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案工作組，主要用于近距離無線連接，而且具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802．15．4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域(Personal Area Netwo rk，PAN)工作組所規(guī)定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)主要具有低功耗、短延時(shí)、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，并且具有廉價(jià)的市場(chǎng)定位，非常適合在照明系統(tǒng)中應(yīng)用。一個(gè)基于ZigBee的無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)能支持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果外加一個(gè)全功能器件，也可實(shí)現(xiàn)雙向通信。ZigBee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間以接力的方式通過無線電波來實(shí)現(xiàn)通信，通信效率非常高。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 無線節(jié)點(diǎn)模塊

本系統(tǒng)中的無線節(jié)點(diǎn)模塊采用的微控制器為CC2431。CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能滿足低功耗ZigBee／IEEE 802．15．4無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要。CC2431內(nèi)部集成有增強(qiáng)型8051和2．4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)RF射頻收發(fā)器核心，因而所需要的外圍元件很少，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能。處于休眠模式時(shí)，整個(gè)芯片的流耗小于0．9 μA，可從硬件上支持CSMA／CA機(jī)制，還集成有ADC、AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設(shè)及豐富的I／O 口資源。無線節(jié)點(diǎn)模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中，微控制器輸出的PWM控制信號(hào)經(jīng)過光耦隔離控制接口后，再通過調(diào)光模塊或繼電器，就可以實(shí)現(xiàn)LED照明燈的開關(guān)、256級(jí)調(diào)光等功能控制。

2．2 LED調(diào)光模塊

系統(tǒng)中的LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示，其中的HV9910是一個(gè)高效PWM LED驅(qū)動(dòng)控制集成電路，它使用高壓隔離連接工藝，能經(jīng)受高達(dá)450 V的浪涌輸入電壓的沖擊，它在輸入電壓從直流8～450 V范圍內(nèi)，部能有效驅(qū)動(dòng)高亮LED。該芯片能以高達(dá)300 kHz的固定頻率驅(qū)動(dòng)外部OSFET，其頻率由外部電阻設(shè)置決定。為了保證亮度恒定并增強(qiáng)LED的可靠性，外部高亮LED串采用恒流控制方式，其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍可以從幾毫安到1 A。一個(gè)LED串的輸出電流可以被設(shè)定在0到它的最大值之間的任何值，且由輸入到HV9910的線性調(diào)光器的外部控制電壓所控制。另外，HV9910也提供有一個(gè)低頻的PWM調(diào)光功能，能接收外部幾千赫茲的控制信號(hào)，以使在0～100％的占空比下進(jìn)行調(diào)光。

2．3 無線遙控模塊

遙控模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所需要的無線手持設(shè)備，可自動(dòng)搜尋ZigBee設(shè)備，并加入到網(wǎng)絡(luò)中建立通信關(guān)系，使自己成為其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行遙控。遙控節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示，遙控節(jié)點(diǎn)將鍵盤信息傳至網(wǎng)絡(luò)協(xié)凋器后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將響應(yīng)相應(yīng)的控制狀態(tài)，并發(fā)送至終端無線節(jié)點(diǎn)，最后由終端節(jié)點(diǎn)通過調(diào)光單元改變照明設(shè)備的狀態(tài)。另外，遙控器還帶有亮度感測(cè)模塊，可用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的亮度信息。系統(tǒng)中的12864液晶模塊用于顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，電源部分采用電池供電。