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。