基于ZigBee技術(shù)的智能照明系統設計

摘要：針對目前室內傳統照明電能浪費、布線(xiàn)麻煩、系統安裝成本高等諸多問(wèn)題，設計了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能照明系統。該系統采用集射頻與微控制器為一體的片上系統CC2431作為ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的核心器件，并結合TI公司的Z-Stack協(xié)議棧來(lái)實(shí)現對室內所有燈節點(diǎn)的單控、全控、開(kāi)關(guān)控制、256級調光控制以及情景模式轉換等功能，同時(shí)提出了一種室內多個(gè)LED燈節點(diǎn)對定點(diǎn)精確調光的方案，從而達到使照明系統更加人性化、安全和節能的設計目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；ZigBee；智能照明系統；CC2431

0 引言

隨著(zhù)現代科學(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，而智能照明系統作為家庭自動(dòng)化的應用之一，具有廣闊的應用前景。目前，傳統照明存在著(zhù)一系列缺點(diǎn)，如發(fā)光效率低、使用壽命短、布線(xiàn)麻煩、系統可擴展性差，遠遠不能滿(mǎn)足現代社會(huì )對高效、自動(dòng)化和節能照明技術(shù)的現實(shí)需求。針對傳統照明系統的不足，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是實(shí)現智能照明系統的理想選擇。Zjg Bee技術(shù)作為一種新興的近距離無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)智能照明系統的最佳解決方案。為此，本文設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能照明系統，該系統采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )定位技術(shù)，房間內的每個(gè)照明設備就是一個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，系統可實(shí)現自組網(wǎng)，無(wú)線(xiàn)遙控節點(diǎn)可以整體對室內照度設置幾種默認的工作模式和整體任意調節亮度，也可以選擇任何單個(gè)燈節點(diǎn)進(jìn)行照度調節以及開(kāi)關(guān)控制；將遙控節點(diǎn)放在室內某一位置，并設置一定的照度值，該位置就能達到相應的照度值，而不影響其他區域的照度，從而實(shí)現對室內照明的智能控制。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據率的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是介于無(wú)線(xiàn)標記和藍牙之間的技術(shù)方案工作組，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接，而且具有自己的無(wú)線(xiàn)電標準，即IEEE 802．15．4(ZigBee)技術(shù)標準，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域(Personal Area Netwo rk，PAN)工作組所規定的一項標準。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中應用。一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(WPAN)能支持高達254個(gè)節點(diǎn)。如果外加一個(gè)全功能器件，也可實(shí)現雙向通信。ZigBee采用自組網(wǎng)方式實(shí)現組網(wǎng)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內，節點(diǎn)之間以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波來(lái)實(shí)現通信，通信效率非常高。

2 系統硬件設計

2．1 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊

本系統中的無(wú)線(xiàn)節點(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(SoC)解決方案，能滿(mǎn)足低功耗ZigBee／IEEE 802．15．4無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用需要。CC2431內部集成有增強型8051和2．4 GHz DSSS(直接序列擴頻)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(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性能。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機制，還集成有ADC、AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設及豐富的I／O 口資源。無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模塊的硬件結構框圖如圖1所示，圖中，微控制器輸出的PWM控制信號經(jīng)過(guò)光耦隔離控制接口后，再通過(guò)調光模塊或繼電器，就可以實(shí)現LED照明燈的開(kāi)關(guān)、256級調光等功能控制。

2．2 LED調光模塊

系統中的LED驅動(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，部能有效驅動(dòng)高亮LED。該芯片能以高達300 kHz的固定頻率驅動(dòng)外部OSFET，其頻率由外部電阻設置決定。為了保證亮度恒定并增強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定在0到它的最大值之間的任何值，且由輸入到HV9910的線(xiàn)性調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調光功能，能接收外部幾千赫茲的控制信號，以使在0～100％的占空比下進(jìn)行調光。

2．3 無(wú)線(xiàn)遙控模塊

遙控模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中所需要的無(wú)線(xiàn)手持設備，可自動(dòng)搜尋ZigBee設備，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)節點(diǎn)，進(jìn)而對整個(gè)照明系統進(jìn)行遙控。遙控節點(diǎn)硬件框圖如圖3所示，遙控節點(diǎn)將鍵盤(pán)信息傳至網(wǎng)絡(luò )協(xié)凋器后，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器將響應相應的控制狀態(tài)，并發(fā)送至終端無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，最后由終端節點(diǎn)通過(guò)調光單元改變照明設備的狀態(tài)。另外，遙控器還帶有亮度感測模塊，可用于感測現場(chǎng)的亮度信息。系統中的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。