基于無線網(wǎng)絡控制的智能照明系統(tǒng)

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(jīng)過前期社會調(diào)查，目前，國內(nèi)市場上的燈光照度調(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)，不能進行局部精細的調(diào)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(wǎng)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訊技術，ZigBee技術釆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(wǎng)，網(wǎng)絡容量大，可容納多達65000個節(jié)點，網(wǎng)絡中的任意節(jié)點之間都可以進行數(shù)據(jù)通訊。ZigBee網(wǎng)絡具有星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構。CC2431是一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）,主要用于無線傳感網(wǎng)絡ZigBee/IEEE802.15.4解決方案。圖1所示是CC2431的實物模塊示意圖。

圖1  CC2431實物模塊

1.2  LED驅(qū)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(nèi)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(xiàn)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(qū)動設計方案。HV9910B是一個高效LED驅(qū)動控制集成電路，它在輸入電壓從8VDC到450VDC范圍內(nèi)能有效驅(qū)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1A。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(diào)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(diào)光。本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光,其實際應用電路如圖2所示。

圖2  HV9910B調(diào)光電路

1.3  RSSI(ReceivedSignalStrength)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(jù)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(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)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(xiàn)出良好特性。

接收信號強度Rrssi理論值可由式(1)表示：

Rrssi=—(l0nlgd十A)             (1)

其中，射頻參數(shù)A和”用于描述網(wǎng)絡操作環(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1m處接收到的信號強度的絕對值。如信號強度為一40dBm,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用無符號定點數(shù)值給出，最低位為小數(shù)位，而其余各位為整數(shù)位。A的一個典型值為40.0。射頻參數(shù)"被定義為路徑損失指數(shù)，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—”成比例,這里的由是發(fā)射器和接收器之間的距離。實際寫入定位引擎的參數(shù)”是一個通過查表得到的整數(shù)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(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點。盲節(jié)點可從參考節(jié)點處接收數(shù)據(jù)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，然后再讀出由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(shù),也叫做勒克斯(Lux)：lLux=ILm/mJ本系統(tǒng)采用22W節(jié)能熒光燈，經(jīng)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(xié)議棧

本系統(tǒng)采用的是Zigbee精簡版協(xié)議棧，精簡版Zigbee協(xié)議棧與完整版協(xié)議大體相同，具有ZigBee協(xié)議棧的基本的C51源文件、NWK.C網(wǎng)絡層源代碼、定義文件NWK.H以及網(wǎng)絡鄰居代碼等C51源代碼，同時也包括802.15.4MAC層的全部C51源

代碼。其部分代碼如下：

main()

(

hallnit()；〃初始化HAL層

evblnitO;//初始化評估板

aplInitO；//初始化協(xié)議棧

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT()；//開中斷

aplFormNetwork()；〃形成網(wǎng)絡

while(apsBusyO)

(apsFSMO；｝〃等待完成

while(l)

｛apsFSMO；｝〃運行協(xié)議棧

圖3  CC2431定位引擎操作流程圖

圖4  光強與中心距離的關系

2.2  節(jié)點程序設計

ZigBee節(jié)點類型規(guī)定了協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備三種，協(xié)調(diào)器負責啟動和配置整個網(wǎng)絡，它是網(wǎng)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(lián)，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其它活動。一個ZigBee網(wǎng)絡只允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器;路由器是一種支持關聯(lián)的設備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設備。ZigBee網(wǎng)格或樹型網(wǎng)絡則可以有多個ZigBee路由器,ZigBee星型網(wǎng)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(wǎng)絡到達其它需要與其通訊的設備，它的內(nèi)存容量要求最少。

本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡，有且只有一個協(xié)調(diào)器，其程序流程如圖5所示,該協(xié)調(diào)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。

圖5  星型網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器程序流程圖

3  系統(tǒng)測試

在一個大致30mX40m的室內(nèi)布置3X4個LED燈來模擬一套基于ZigBee無線網(wǎng)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(nèi)中間一個燈節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，其余都作為終端設備。室內(nèi)所有的節(jié)點組成一個ZigBee網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡可對所有的燈實現(xiàn)多級調(diào)光，以實現(xiàn)對所有燈的整體控制，也可以實現(xiàn)對單個燈的控制，同時也可以對區(qū)域照度進行精細調(diào)節(jié)。

另外,對新加入網(wǎng)絡的遙控器也可以對其實現(xiàn)高精度的定位，其定位精度在室內(nèi)良好的環(huán)境下可以達到lm。該系統(tǒng)適合室內(nèi)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(jié)語

隨著人們生活水平的不斷提高，智能化家居已成為國內(nèi)研究的熱點。伴隨著ZigBee技術的不斷成熟以及相關LED產(chǎn)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。

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