基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)光系統(tǒng)

  能源危機(jī)正在威脅著人類，要想可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能環(huán)保勢在必行。一直以來，千家萬戶的照明燈都是用白熾燈和熒光燈，但是它們的發(fā)光效率低，造成了大量的電能浪費(fèi)。白光LED照明燈的出現(xiàn)，解決了原有燈具發(fā)光效率低等缺點(diǎn)，但是，在外界不是特別暗的時(shí)候，如果將室內(nèi)的白光LED燈全部打開，又會(huì)造成不必要的電能浪費(fèi)。因此，本文提出了一種可以根據(jù)外界自然光強(qiáng)度變化而自動(dòng)調(diào)整白光LED燈亮度的智能照明系統(tǒng)，并且可通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地?zé)o線開燈或關(guān)燈，不僅省時(shí)省力、無額外的無線通信費(fèi)用，而且通過以太網(wǎng)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 整體設(shè)計(jì)方案
    智能調(diào)光系統(tǒng)主要為教室、大型辦公場所等建筑而設(shè)計(jì)，因此，以某個(gè)教學(xué)樓為例，講述了方案整體設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)、主監(jiān)控機(jī)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設(shè)備、白光LED和光照傳感器等部分組成。

    工作過程如下：
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)成功后，將ZigBee終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。光敏電阻對(duì)室內(nèi)工作面上的光照強(qiáng)度進(jìn)行光強(qiáng)采集，將采集的實(shí)時(shí)光強(qiáng)信號(hào)傳送給ZigBee終端設(shè)備，對(duì)檢測值和給定值進(jìn)行對(duì)比，調(diào)節(jié)輸出的PWM波占空比，即可調(diào)節(jié)自光LED的光強(qiáng)；同時(shí)，ZigBee終端設(shè)備將剛采集的光強(qiáng)信號(hào)傳送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主監(jiān)控機(jī)進(jìn)行顯示；同時(shí)，在主監(jiān)控機(jī)上點(diǎn)擊一鍵開燈或一鍵關(guān)燈，可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)打開白光LED燈或?qū)⑵潢P(guān)閉。另外，通過以太網(wǎng)，異地的遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)也可以對(duì)室內(nèi)照明燈進(jìn)行控制、監(jiān)視。

2 系統(tǒng)硬件部分
2．1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器
    系統(tǒng)的硬件核心是CC2430芯片，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)均由CC2430芯片構(gòu)成。它是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片(SoC)COMS解決方案，可以滿足ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用，且成本低，功耗小。它包括1個(gè)高性能的2．4 GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器核心和1個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，芯片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)，需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及通過RS 232串口與PC機(jī)連接通信。
    本系統(tǒng)選擇CC2430的UART0作為串口通信接口，其對(duì)應(yīng)的管腳如表1所示。

    為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，CC2430芯片要求供電電壓為3．3 V。為此設(shè)計(jì)了一種基于AMS1117-3．3的穩(wěn)壓電路，將5 V左右的電壓穩(wěn)定在3．3 V。
    CC2430與PC機(jī)之間可以通過RS 232通信協(xié)議，選用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器原理圖如圖2所示。

2．2 ZigBee終端設(shè)備
    終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
    工作過程如下：將光照檢測電路獲得的電壓信號(hào)送給CC2430芯片的A／D轉(zhuǎn)換接口，經(jīng)過內(nèi)部編程，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來調(diào)節(jié)白光LED驅(qū)動(dòng)芯片TPS61040輸入控制端EN的控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)白光LED燈發(fā)光的電流穩(wěn)定在所需光強(qiáng)。
    光敏電阻是一種經(jīng)濟(jì)可靠的光電轉(zhuǎn)換器件，利用它的光導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)光線照在光敏電阻上時(shí)，電阻阻值下降。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MG41型光敏電阻。
    系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動(dòng)電路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開關(guān)頻率高達(dá)500 Hz，由于芯片內(nèi)部與SW引腳相連的MOSFET是一個(gè)低電阻集成電源FET，它有助于實(shí)現(xiàn)極高的效率。本文設(shè)計(jì)的TPS61040白光LED驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。該電路可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載斷開、過電壓保護(hù)、PWM調(diào)光等功能。

3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
3．1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器有兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是與PC機(jī)進(jìn)行通信，互相傳送數(shù)據(jù)；另一個(gè)是與其他終端設(shè)備進(jìn)行ZigBee通信，其軟件流程圖如圖5所示。

3．2 終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    終端設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)包括A／D轉(zhuǎn)換、定時(shí)計(jì)數(shù)器等，其中最主要的是控制光強(qiáng)PWM波占空比設(shè)計(jì)。
     PWM控制就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。系統(tǒng)采用定時(shí)器T4，它是8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，支持輸出比較和PWM輸出，光強(qiáng)控制策略如圖6所示。

    光強(qiáng)控制策略如下：
    (1)當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)大于光強(qiáng)合適區(qū)的上限時(shí)，調(diào)節(jié)定時(shí)器的寄存器，使得PWM占空比變小，光強(qiáng)變小，逐漸回到光強(qiáng)合適區(qū)；
    (2)當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)小于光強(qiáng)合適區(qū)的下限時(shí)，調(diào)節(jié)定時(shí)器的寄存器，使得PWM占空比變大，光強(qiáng)變大，逐漸回到光強(qiáng)合適區(qū)；
    (3)當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)在光強(qiáng)合適區(qū)中時(shí)，由于系統(tǒng)誤差的存在，以及人眼對(duì)光強(qiáng)小范圍的變化不是特別敏感，可以不用調(diào)節(jié)定時(shí)器的寄存器。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)采用LabVIEW進(jìn)行編程，它的主體由狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)、串口通信部分組成，可以實(shí)現(xiàn)一鍵開燈、一鍵關(guān)燈功能，并且觀察光照值。狀態(tài)機(jī)功能列表如表2所示。

    通信串口設(shè)置主要用于設(shè)置PC機(jī)與網(wǎng)絡(luò)控制器的串口通信參數(shù)，包括串口端口的選擇、波特率、奇偶檢驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位等。
    為了使系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，還設(shè)計(jì)了安全登錄子系統(tǒng)，即只有先登錄該系統(tǒng)才能完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。登錄程序如圖7所示。

    最后，將主監(jiān)控機(jī)設(shè)置為服務(wù)器系統(tǒng)，通過網(wǎng)站技術(shù)可以讓接入以太網(wǎng)的PC機(jī)通過遠(yuǎn)程登錄到該服務(wù)器。這樣，就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

5 結(jié)語
    經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以滿足功能方面的需求，用TI的SmartRFStudio信號(hào)測試軟件在對(duì)ZigBee模塊無線收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸可靠性的測試時(shí)，結(jié)果比較好。在20多米的有障礙空間中，使得CC2430工作在最強(qiáng)發(fā)射功率下，可以比較穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，這符合ZigBee的理論值。
    用手遮擋光敏電阻來模擬室內(nèi)光線變暗，白光LED的亮度變強(qiáng)；手移開，白光LED亮度變暗。將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率提高后，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)光，并在上位機(jī)上監(jiān)控運(yùn)行狀況。