基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)

摘要：根據(jù)節(jié)能環(huán)保、智能家居的需求，采用LED燈和TI的SoC芯片CC2431設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在兼容已有調(diào)光模式的基礎(chǔ)上，利用照度值來精細(xì)調(diào)節(jié)局部照度，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的照明定位控制。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法。經(jīng)實(shí)際室內(nèi)測(cè)試表明：該系統(tǒng)性能良好，操控簡(jiǎn)便，而且更加人性化。
關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2431；LED；無線網(wǎng)絡(luò)

0 引言
隨著人們生活水平的提高，節(jié)能環(huán)保、智能化的家用設(shè)施越來越受到人們的青睞。然而，經(jīng)過前期社會(huì)調(diào)查，目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的燈光照度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)普片存在兩大不足：一是很少使用節(jié)能燈；二是僅限于整體調(diào)節(jié)，不能進(jìn)行局部精細(xì)的調(diào)節(jié)，達(dá)不到燈光人性化和節(jié)能的目的。本文針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 主控制模塊
ZigBee技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展較為迅速且日趨成熟的一種無線通汛技術(shù)，ZigBee技術(shù)采用國(guó)際通用免費(fèi)頻段2．4GHz，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，且能自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)之間都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CC2431是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)，主要用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee／IEEE 802．15．4解決方案。圖1所示是CC2431的實(shí)物模塊示意圖。

1．2 LED驅(qū)動(dòng)電路模塊
LED具有低壓、低功耗、高可靠性和長(zhǎng)壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種符合環(huán)保和節(jié)能的綠色照明光源。隨著LED技術(shù)的提升，新型LED節(jié)能燈的成本不斷下降，無論在國(guó)際市場(chǎng)還是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，LED已開始進(jìn)入商業(yè)照明或部分家用照明市場(chǎng)，相對(duì)于傳統(tǒng)照明方式(白熾燈、鹵素?zé)簟⒕o湊型熒光燈、直管熒光燈和金屬鹵化物燈)，LED照明展現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭。
本系統(tǒng)利用LED燈作為光源，并采用HV9910B芯片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。HV9910B是一個(gè)高效LED驅(qū)動(dòng)控制集成電路，它在輸入電壓從8V DC到450V DC范圍內(nèi)能有效驅(qū)動(dòng)高亮LED。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，而不是恒壓控制。其恒流值由外部取樣電阻值決定，變化范圍從幾mA到1 A。一個(gè)LED串的輸出電流可以設(shè)定為0到它的最大值之間的任何值。此外，HV9910B也提供有一個(gè)低頻的PWM調(diào)光功能，能接受一個(gè)外部達(dá)幾千赫茲的控制信號(hào)，并可在0～100％的占空比下進(jìn)行調(diào)光。本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光，其實(shí)際應(yīng)用電路如圖2所示。

1．3 RSSI(Recelved Signal Strength)定位技術(shù)
RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中，如果已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，并利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)對(duì)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單，已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性。
接收信號(hào)強(qiáng)良RRSSI理論值可由式(1)表示：
RRSSI=-(10 nlgd+A) (1)
其中，射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距離發(fā)射端1 m處接收到的信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值。如信號(hào)強(qiáng)度為-40 dBm，那么參數(shù)A被定為40。定位引擎的期望參數(shù)A為30．0～50．0，精度為0．5。參數(shù)A用無符號(hào)定點(diǎn)數(shù)值給出，最低位為小數(shù)位，而其余各位為整數(shù)位。A的一個(gè)典型值為40．0。射頻參數(shù)n被定義為路徑損失指數(shù)，它指出了信號(hào)能量隨著其到收發(fā)器距離的增加而衰減的速率。衰減與d-n成比例，這里的d是發(fā)射器和接收器之間的距離。實(shí)際寫入定位引擎的參數(shù)n是一個(gè)通過查表得到的整數(shù)索引值n_index，具體如表1所示。