基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)

摘要：根據(jù)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(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在兼容已有調(diào)光模式的基礎(chǔ)上，利用照度值來精細(xì)調(diào)節(jié)局部照度，從而實(shí)現(xiàn)簡單的照明定位控制。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法。經(jīng)實(shí)際室內(nèi)測試表明：該系統(tǒng)性能良好，操控簡便，而且更加人性化。
關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；CC2431；LED；無線網(wǎng)絡(luò)

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(shè)施越來越受到人們的青睞。然而，經(jīng)過前期社會(huì)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(jìn)行局部精細(xì)的調(diào)節(jié)，達(dá)不到燈光人性化和節(jié)能的目的。本文針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)控制的智能照明系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 主控制模塊
    ZigBee技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展較為迅速且日趨成熟的一種無線通汛技術(shù)，ZigBee技術(shù)采用國際通用免費(fèi)頻段2．4GHz，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，且能自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)之間都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有星狀、樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。CC2431是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)，主要用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee／IEEE 802．15．4解決方案。圖1所示是CC2431的實(shí)物模塊示意圖。

1．2 LED驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，是一種符合環(huán)保和節(jié)能的綠色照明光源。隨著LED技術(shù)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(jìn)入商業(yè)照明或部分家用照明市場，相對(duì)于傳統(tǒng)照明方式(白熾燈、鹵素?zé)?、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(dòng)設(shè)計(jì)方案。HV9910B是一個(gè)高效LED驅(qū)動(dòng)控制集成電路，它在輸入電壓從8V DC到450V DC范圍內(nèi)能有效驅(qū)動(dòng)高亮LED。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，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(gè)LED串的輸出電流可以設(shè)定為0到它的最大值之間的任何值。此外，HV9910B也提供有一個(gè)低頻的PWM調(diào)光功能，能接受一個(gè)外部達(dá)幾千赫茲的控制信號(hào)，并可在0～100％的占空比下進(jìn)行調(diào)光。本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光，其實(shí)際應(yīng)用電路如圖2所示。

1．3 RSSI(Recelved Signal Strength)定位技術(shù)
    RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中，如果已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，并利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)對(duì)硬件要求較低、算法相對(duì)簡單，已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性。
    接收信號(hào)強(qiáng)良RRSSI理論值可由式(1)表示：
    RRSSI=-(10 nlgd+A)                (1)
    其中，射頻參數(shù)A和n用于描述網(wǎng)絡(luò)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1 m處接收到的信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值。如信號(hào)強(qiáng)度為-40 dBm，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(hào)定點(diǎn)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(gè)典型值為40．0。射頻參數(shù)n被定義為路徑損失指數(shù)，它指出了信號(hào)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(shí)際寫入定位引擎的參數(shù)n是一個(gè)通過查表得到的整數(shù)索引值n_index，具體如表1所示。

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    CC2431無線定位引擎基于RSSI技術(shù)，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)可從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號(hào)，以獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值，并將其送入定位引擎，然后再讀出南定位引擎計(jì)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(qiáng)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)：1 Lux=1 Lm／m2。本系統(tǒng)采用22 W節(jié)能熒光燈，經(jīng)測試，其光強(qiáng)度(Lux)到中心距離(cm)的關(guān)系如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(luò)層源代碼、定義文件NWK．H以及網(wǎng)絡(luò)鄰居代碼等C51源代碼，同時(shí)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(diǎn)程序設(shè)計(jì)
    ZigBee節(jié)點(diǎn)類型規(guī)定了協(xié)調(diào)器、路由器和終端沒備三種，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)的第一設(shè)備，可以保持間接尋址用的固定表格，并支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其它活動(dòng)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器；路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹型網(wǎng)絡(luò)則可以有多個(gè)ZigBee路由器，ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器；端終設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其它需要與其通訊的設(shè)備，它的內(nèi)存容量要求最少。
    本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)，有且只有一個(gè)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(shè)備和遙控器均屬于終端設(shè)備。

3 系統(tǒng)測試
    在一個(gè)大致30 m×40 m的室內(nèi)布置3×4個(gè)LED燈來模擬一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)智能照明控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個(gè)燈和遙控器都是一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，選室內(nèi)中間一個(gè)燈節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，其余都作為終端設(shè)備。室內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可對(duì)所有的燈實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)光，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有燈的整體控制，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)燈的控制，同時(shí)也可以對(duì)區(qū)域照度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。
    另外，對(duì)新加入網(wǎng)絡(luò)的遙控器也町以對(duì)其實(shí)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(dá)到1 m。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(xì)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(diǎn)。伴隨著ZigBee技術(shù)的不斷成熟以及相關(guān)LED產(chǎn)品價(jià)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(yīng)用前景廣闊。