基于無線網絡控制的智能照明系統(tǒng)

摘要：根據節(jié)能環(huán)保、智能家居的需求，采用LED燈和TI的SoC芯片CC2431設計了一套基于ZigBee無線網絡控制的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在兼容已有調光模式的基礎上，利用照度值來精細調節(jié)局部照度，從而實現簡單的照明定位控制。文中詳細闡述了系統(tǒng)各個模塊的軟硬件設計方法。經實際室內測試表明：該系統(tǒng)性能良好，操控簡便，而且更加人性化。
關鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2431；LED；無線網絡

0 引言
    隨著人們生活水平的提高，節(jié)能環(huán)保、智能化的家用設施越來越受到人們的青睞。然而，經過前期社會調查，目前，國內市場上的燈光照度調節(jié)控制系統(tǒng)普片存在兩大不足：一是很少使用節(jié)能燈；二是僅限于整體調節(jié)，不能進行局部精細的調節(jié)，達不到燈光人性化和節(jié)能的目的。本文針對這些問題設計出了一種基于無線網絡控制的智能照明系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 主控制模塊
    ZigBee技術是當前發(fā)展較為迅速且日趨成熟的一種無線通汛技術，ZigBee技術采用國際通用免費頻段2．4GHz，具有低功耗、低成本、低復雜度等優(yōu)點，且能自動組網，網絡容量大，可容納多達65000個節(jié)點，網絡中的任意節(jié)點之間都可以進行數據通訊。ZigBee網絡具有星狀、樹狀和網狀拓撲結構。CC2431是一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)，主要用于無線傳感網絡ZigBee／IEEE 802．15．4解決方案。圖1所示是CC2431的實物模塊示意圖。

1．2 LED驅動電路模塊
    LED具有低壓、低功耗、高可靠性和長壽命等一系列優(yōu)點，是一種符合環(huán)保和節(jié)能的綠色照明光源。隨著LED技術的提升，新型LED節(jié)能燈的成本不斷下降，無論在國際市場還是國內市場，LED已開始進入商業(yè)照明或部分家用照明市場，相對于傳統(tǒng)照明方式(白熾燈、鹵素燈、緊湊型熒光燈、直管熒光燈和金屬鹵化物燈)，LED照明展現出了良好的發(fā)展勢頭。
    本系統(tǒng)利用LED燈作為光源，并采用HV9910B芯片驅動設計方案。HV9910B是一個高效LED驅動控制集成電路，它在輸入電壓從8V DC到450V DC范圍內能有效驅動高亮LED。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，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LED串的輸出電流可以設定為0到它的最大值之間的任何值。此外，HV9910B也提供有一個低頻的PWM調光功能，能接受一個外部達幾千赫茲的控制信號，并可在0～100％的占空比下進行調光。本系統(tǒng)采用PWM調光，其實際應用電路如圖2所示。

1．3 RSSI(Recelved Signal Strength)定位技術
    RSSI是指節(jié)點接收到的無線信號的強度大小。在基于接收信號強度指示RSSI的定位中，如果已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點就可以根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，并利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置。該技術對硬件要求較低、算法相對簡單，已在實驗室環(huán)境中表現出良好特性。
    接收信號強良RRSSI理論值可由式(1)表示：
    RRSSI=-(10 nlgd+A)                (1)
    其中，射頻參數A和n用于描述網絡操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數A被定義為用dBm表示的距離發(fā)射端1 m處接收到的信號強度的絕對值。如信號強度為-40 dBm，那么參數A被定為40。定位引擎的期望參數A為30．0～50．0，精度為0．5。參數A用無符號定點數值給出，最低位為小數位，而其余各位為整數位。A的一個典型值為40．0。射頻參數n被定義為路徑損失指數，它指出了信號能量隨著其到收發(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。實際寫入定位引擎的參數n是一個通過查表得到的整數索引值n_index，具體如表1所示。

    CC2431無線定位引擎基于RSSI技術，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數據包通知其他節(jié)點。盲節(jié)點可從參考節(jié)點處接收數據包信號，以獲得參考節(jié)點位置坐標及相應的RSSI值，并將其送入定位引擎，然后再讀出南定位引擎計算得到的自身位置。CC2431定位的基本操作流程如圖3所示。

1．4 燈光照度
    照度是反映光照強度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位定義是每平方米的流明(Lm)數，也叫做勒克斯(Lux)：1 Lux=1 Lm／m2。本系統(tǒng)采用22 W節(jié)能熒光燈，經測試，其光強度(Lux)到中心距離(cm)的關系如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
2．1 ZigBee協議棧
    本系統(tǒng)采用的是Zigbee精簡版協議棧，精簡版Zigbee協議棧與完整版協議大體相同，具有ZigBee協議棧的基本的C51源文件、NWK．C網絡層源代碼、定義文件NWK．H以及網絡鄰居代碼等C51源代碼，同時也包括802．15．4 MAC層的全部C51源代碼。其部分代碼如下：
   
2．2 節(jié)點程序設計
    ZigBee節(jié)點類型規(guī)定了協調器、路由器和終端沒備三種，協調器負責啟動和配置整個網絡，它是網絡的第一設備，可以保持間接尋址用的固定表格，并支持關聯，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其它活動。一個ZigBee網絡只允許有一個ZigBee協調器；路由器是一種支持關聯的設備，能夠將消息轉發(fā)到其它設備。ZigBee網格或樹型網絡則可以有多個ZigBee路由器，ZigBee星型網絡不支持ZigBee路由器；端終設備可以執(zhí)行它的相關功能，并使用ZigBee網絡到達其它需要與其通訊的設備，它的內存容量要求最少。
    本系統(tǒng)采用星型網絡，有且只有一個協調器，其程序流程如圖5所示，該協調器不需要路由，所以，其它的控制設備和遙控器均屬于終端設備。

3 系統(tǒng)測試
    在一個大致30 m×40 m的室內布置3×4個LED燈來模擬一套基于ZigBee無線網絡智能照明控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個燈和遙控器都是一個ZigBee節(jié)點，選室內中間一個燈節(jié)點作為協調器，其余都作為終端設備。室內所有的節(jié)點組成一個ZigBee網絡，該網絡可對所有的燈實現多級調光，以實現對所有燈的整體控制，也可以實現對單個燈的控制，同時也可以對區(qū)域照度進行精細調節(jié)。
    另外，對新加入網絡的遙控器也町以對其實現高精度的定位，其定位精度在室內良好的環(huán)境下可以達到1 m。該系統(tǒng)適合室內大型燈光控制，以滿足不同區(qū)域燈光的照明需求，而且可以精細化、智能化，也更加節(jié)能。

4 結語
    隨著人們生活水平的不斷提高，智能化家居已成為國內研究的熱點。伴隨著ZigBee技術的不斷成熟以及相關LED產品價格的逐步降低，巨大的民用市場將是其最終的發(fā)展方向。由于該智能化照明控制系統(tǒng)也符合國家節(jié)能減排的要求，應用前景廣闊。