基于ZigBee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)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、家庭自動化等早已為大眾所熟知，而智能照明系統(tǒng)作為 家庭自動化的應(yīng)用之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，傳統(tǒng)照 明存在著一系列缺點(diǎn),如發(fā)光效率低、使用壽命短、布線麻煩、 系統(tǒng)可擴(kuò)展性差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會對高效、自動化和節(jié) 能照明技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求。針對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足，采用無線 通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的理想選擇。ZigBee技術(shù)作為 一種新興的近距離無線通信技術(shù)，具有短距離、低功耗、低 速率和高可靠性等特點(diǎn)，因而是無線智能照明系統(tǒng)的最佳解決 方案。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智 能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，房間內(nèi) 的每個照明設(shè)備就是一個無線節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，無線 遙控節(jié)點(diǎn)可以整體對室內(nèi)照度設(shè)置幾種默認(rèn)的工作模式和整體任意調(diào)節(jié)亮度，也可以選擇任何單個燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行照度調(diào)節(jié) 以及開關(guān)控制；將遙控節(jié)點(diǎn)放在室內(nèi)某一位置，并設(shè)置一定 的照度值，該位置就能達(dá)到相應(yīng)的照度值，而不影響其他區(qū) 域的照度，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)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(shù)據(jù)率的無線 組網(wǎng)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技 術(shù)方案工作組，主要用于近距離無線連接，而且具有自己的無 線電標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.15.4 (ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是IEEE 無線個人區(qū)域(Personal Area Network，PAN)工作組所規(guī) 定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)主要具有低功耗、短延時、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 具有廉價的市場定位，非常適合在照明系統(tǒng)中應(yīng)用。一個基于 ZigBee的無線個域網(wǎng)(WPAN)能支持高達(dá)254個節(jié)點(diǎn)。如 果外加一個全功能器件，也可實(shí)現(xiàn)雙向通信。ZigBee采用自 組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間以接力的方 式通過無線電波來實(shí)現(xiàn)通信，通信效率非常高。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1  無線節(jié)點(diǎn)模塊

本系統(tǒng)中的無線節(jié)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(tǒng)(SoC) 解決方案，能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 需要。CC2431內(nèi)部集成有增強(qiáng)型8051和2.4 GHz DSSS (直 接序列擴(kuò)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)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能。處 于休眠模式時，整個芯片的流耗小于0.9卩A,可從硬件上支 持CSMA/CA機(jī)制，還集成有ADC、AES安全協(xié)處理器和 USART等片上外設(shè)及豐富的I/O 口資源。無線節(jié)點(diǎn)模塊的硬 件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中，微控制器輸出的PWM控制信 號經(jīng)過光耦隔離控制接口后，再通過調(diào)光模塊或繼電器，就 可以實(shí)現(xiàn)LED照明燈的開關(guān)、256級調(diào)光等功能控制。

圖1     無線節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.2  LED調(diào)光模塊

系統(tǒng)中的LED驅(qū)動電路原理圖如圖2所示，其中的 HV9910是一個高效PWM LED驅(qū)動控制集成電路，它使用 高壓隔離連接工藝，能經(jīng)受高達(dá)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(nèi)，都能有效驅(qū)動高亮 LED。該芯片能以高達(dá)300 kHz的固定頻率驅(qū)動外部MOSFET， 其頻率由外部電阻設(shè)置決定。為了保證亮度恒定并增強(qiáng)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LED串 的輸出電流可以被設(shè)定在0到它的最大值之間的任何值，且由 輸入到HV9910的線性調(diào)光器的外部控制電壓所控制。另外, HV9910也提供有一個低頻的PWM調(diào)光功能，能接收外部幾千 赫茲的控制信號，以便在0?100%的占空比下進(jìn)行調(diào)光。

圖2     LED驅(qū)動電路原理圖

2.3   無線遙控模塊

遙控模塊是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所需要的無線手持設(shè)備，可自 動捜尋ZigBee設(shè)備，并加入到網(wǎng)絡(luò)中建立通信關(guān)系，使自己 成為其中的一個節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而對整個照明系統(tǒng)進(jìn)行遙控。遙控節(jié) 點(diǎn)硬件框圖如圖3所示，遙控節(jié)點(diǎn)將鍵盤信息傳至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將響應(yīng)相應(yīng)的控制狀態(tài)，并發(fā)送至終端無線 節(jié)點(diǎn)，最后由終端節(jié)點(diǎn)通過調(diào)光單元改變照明設(shè)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(xiàn)場的亮度信息。 系統(tǒng)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。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的ZigBee協(xié)議棧位于IEEE 802.15.4物理 層及數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范之上，這種協(xié)議能夠確保無線設(shè)備在 低成本、低功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中的互通作用，ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)包括ZigBee應(yīng)用層、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、 IEEE.802.15.4 MAC層和PHY層。節(jié)點(diǎn)類型規(guī)定有協(xié)調(diào)器、 路由器和終端設(shè)備三種，NWK支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?、樹?和網(wǎng)格型，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為中心控制 平臺，其流程圖如圖4所示。

圖4     網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器流程圖

首先應(yīng)初始化協(xié)議棧，建立新的網(wǎng)絡(luò)，完成組建網(wǎng)絡(luò)的 工作，然后就可接收各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理，再將相應(yīng)的控制信號發(fā)送至終端設(shè)備。

在終端設(shè)備上，程序首先初始化CC2431 ；之后，初始化 協(xié)議棧，并開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信號，等待給自己分配網(wǎng)絡(luò)地 址;節(jié)點(diǎn)加入成功后，接收到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)便執(zhí)行相應(yīng)的操作。 通過繼電器或調(diào)光模塊等完成對光源的控制流程圖如圖5所 示。終端節(jié)點(diǎn)在接收到不同的占空比值后，PWM控制信號將 在回調(diào)函數(shù)中產(chǎn)生。室內(nèi)整體照度的多級調(diào)節(jié)設(shè)置有幾種默認(rèn) 的工作模式，對應(yīng)的占空比值分別為：高亮對應(yīng)于0x5F ；亮 對應(yīng)于0x50 ；普通對應(yīng)于0x4B ；柔和對應(yīng)于0x3C ；暗對應(yīng) 于0x1E。由于采用光耦隔離控制，要求PWM信號的頻率不 能太高，因此，之前要對定時器T4及時鐘頻率進(jìn)行配置。

圖5所示為終端設(shè)備程序流程圖。

圖5     終端設(shè)備程序流程圖

另外，遙控節(jié)點(diǎn)可以通過鍵盤來控制整個網(wǎng)絡(luò)的照明狀 態(tài)，還可根據(jù)亮度感測器實(shí)時監(jiān)測遙控器所在區(qū)域的照度值, 然后將實(shí)際測量值返回到協(xié)調(diào)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)調(diào)光。應(yīng)用 程序一般通過調(diào)用aplSendMSG。函數(shù)發(fā)送消息包。其函數(shù)的 定義如下：

aplSendMSG（

BYTE dstMode,//目標(biāo)地址的地址模式LADDR_UNION * dstADDR,

//目的地址的指針

BYTE dstEP,//目標(biāo)端點(diǎn)

BYTE cluster,// 簇號

BYTE scrEP, 〃消息源端點(diǎn)

YTE* pload,//用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針

BYTE plen,//緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)

BYTE tsn,//消息的事務(wù)隊(duì)列數(shù)

BYTE reqack//如果非0則要求確認(rèn)

）

3.2  節(jié)點(diǎn)定位調(diào)光

由于室內(nèi)燈往往節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，且分布均勻，系統(tǒng)定位精度 要求比較低，定位調(diào)光采用基于接收信號強(qiáng)度指示的距離定位 算法。其原理是假設(shè)已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn) 根據(jù)接收信號的強(qiáng)度，計(jì)算出信號的傳播損耗，然后利用信 號傳播理論和信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出距離。接收信號強(qiáng)度RSSI 理論值可表示為：

RSSI=-(10nlgd+A)

其中，”代表信號傳播常量，也叫做傳播指數(shù)；代表距離發(fā)射 器之間的距離:;代表距離1 m時的接收信號強(qiáng)度。

當(dāng)系統(tǒng)處于定點(diǎn)調(diào)光模式時，室內(nèi)所有燈節(jié)點(diǎn)同時給遙 控節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同強(qiáng)度的指示信號，遙控節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號強(qiáng) 度RSSI值計(jì)算出與發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離，最后由距離最小的 三個節(jié)點(diǎn)根據(jù)遙控模塊的亮度感測器反饋值來完成定點(diǎn)精確 調(diào)光功能。

4  系統(tǒng)測試

在室內(nèi)布置一套簡單的演示系統(tǒng)，可對系統(tǒng)進(jìn)行測試。 本文的測試系統(tǒng)包括1個遙控節(jié)點(diǎn)、1個主控協(xié)調(diào)器、4個終 端設(shè)備，所有的節(jié)點(diǎn)組成一個網(wǎng)狀的WSN，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6 所示，LED燈連接在終端設(shè)備上，均勻分布在房間內(nèi)。

圖6     網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

通過實(shí)際測試，遙控器可以完成室內(nèi)燈光的整體多級調(diào) 光以及開關(guān)控制。測試系統(tǒng)對室內(nèi)照度整體設(shè)置了幾種常用的 工作模式：高亮、亮、普通、柔和、暗，當(dāng)然，也可以整體任 意調(diào)節(jié)亮度，并可對選中的任意單個LED燈進(jìn)行調(diào)光，而且 具有燈光漸變的效果。在定點(diǎn)調(diào)光模式時，將遙控器放在房 間內(nèi)任意區(qū)域，并用鍵盤輸入需要的照度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是距 離較近的LED燈能迅速完成調(diào)光操作。表1所列是亮度感測 器實(shí)際監(jiān)測的照度值，該照度值還可在液晶上顯示出來。測 試表明，定點(diǎn)精確調(diào)光精度能達(dá)到98.5%,演示系統(tǒng)的各項(xiàng) 功能均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1  實(shí)際測試照度值

5  結(jié) 語

為了克服傳統(tǒng)照明系統(tǒng)具有布線麻煩、可擴(kuò)展性差、節(jié) 能效率低等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采用 ZigBee 無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)燈光的無線控制、分組控制、 情景模式以及定點(diǎn)調(diào)光等功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，具有一定的應(yīng)用價值。

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