基于RF4CE的LED照明調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計方案

0 引言

以LED 為代表的新一代綠色環(huán)保光源近年來逐步得到普及應(yīng)用，人們對LED 照明高效控制和功能多樣化、個性化的要求也不斷提高。如何能夠根據(jù)用戶需求營造特定場景對應(yīng)的光環(huán)境，提高照明效率，減少能源浪費(fèi)，是LED 智能控制系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。

通信方式是LED 智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前已有利用DALI、C-Bus、DMX512、以太網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及ZigBee、GPRS 等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)光源或LED 照明控制系統(tǒng)，然而，基于上述通信方式的LED 控制系統(tǒng)在控制協(xié)議的開放性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、安全性、設(shè)備硬件成本、運(yùn)營成本等方面均存在一定程度的不足。

RF4CE 是2009 年由ZigBee 聯(lián)盟與RF4CE 聯(lián)盟共同提出的面向家電領(lǐng)域的射頻遙控標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是最終取代目前廣泛使用的紅外遙控技術(shù)。RF4CE 是基于IEEE802.15.4 物理層與MAC 層構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，具有非視距傳輸、雙向通信、超低功耗、互操作性好、采用免費(fèi)ISM 頻段等優(yōu)點(diǎn)，可作為家庭自動化和娛樂應(yīng)用的重要無線通信平臺。

針對現(xiàn)有LED 照明控制系統(tǒng)存在的不足，本項(xiàng)目依據(jù)RF4CE 射頻遙控標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一套交互性好、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的LED 智能照明系統(tǒng)，可通過對家居及公共場所LED照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)用戶期望的各種照明環(huán)境，并達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

LED 照明調(diào)控系統(tǒng)由遙控器和大功率LED 調(diào)光器組成，雙方通過內(nèi)置RF4CE 協(xié)議的CC2530 模塊實(shí)現(xiàn)無線連接，圖1 所示是LED 調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。用戶利用遙控器按鍵輸入控制指令，指令以符合RF4CE 協(xié)議的數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到調(diào)光器，調(diào)光器根據(jù)指令要求，結(jié)合當(dāng)前工作狀態(tài)，產(chǎn)生R、G、B 三組PWM 輸出，控制紅、綠、藍(lán)三種大功率LED 照明燈的功率，形成所需的光強(qiáng)或色溫效果。調(diào)光器中的EEPROM用于存儲特殊照明效果對應(yīng)的PWM 序列(即配方表)。

2 硬件電路

圖2 所示為遙控器主控電路的硬件原理圖。該遙控器以STC89C52 為主控制器，外設(shè)包括8 個操作按鍵和1 個狀態(tài)指示燈。STC89C52 與CC2530 模塊采用串行連接。為節(jié)省電能，STC89C52 和CC2530 平時均處于休眠狀態(tài)，8 個按鍵中的任何一個被按下時，除了使P2 口中對應(yīng)口線表現(xiàn)為低電平，也通過對應(yīng)二極管的導(dǎo)通產(chǎn)生外部中斷，將單片機(jī)從休眠中喚醒，并立即發(fā)送按鍵對應(yīng)的鍵值。CC2530 則利用串口中斷喚醒，及時將主控單片機(jī)發(fā)出的鍵值無線發(fā)送給LED 調(diào)光器。

圖3 所示為CC2530 模塊的硬件原理圖。圖中的CC2530是TI 公司推出的無線SoC 芯片，片上集成有80C51 微處理器、IEEE 802.15.4 RF 收發(fā)器、大容量存儲器和豐富的接口部件，通過加載ZigBee 和RF4CE 協(xié)議棧，可方便地實(shí)現(xiàn)基于兩種協(xié)議的典型應(yīng)用。CC2530 僅需少量外圍元件，其中，天線部分對無線通信性能的影響較大，故元件選擇和PCB 制版需嚴(yán)格遵守手冊中的注意事項(xiàng)。

圖4 所示為調(diào)光器主控電路的硬件原理圖。為產(chǎn)生獨(dú)立的3 路高頻PWM,采用了單時鐘周期的增強(qiáng)型51 內(nèi)核單片機(jī)STC12C5410AD,同樣晶振條件下的工作速度比普通51 單片機(jī)快8~12倍。STC12C5410AD與CC2530 模塊也采用串行連接。

3 路PWM 輸出分別接到R、G、B 3 個LED 驅(qū)動器的PWM調(diào)光輸入端。AT24C64 為8 KB 串行EEPROM 存儲器，通過SCL、SDA與單片機(jī)的虛擬I2C接口相連，用于存儲場景配方表。

表1 所列是場景配方表的存儲結(jié)構(gòu)。每張表包括起始和結(jié)尾標(biāo)志，邏輯上以每種PWM 組合所持續(xù)的時間(單位：s)為基本記錄。

圖5 所示為LED 驅(qū)動電路的硬件結(jié)構(gòu)。圖5 中，LT3756為新型大功率LED 驅(qū)動芯片，輸入電壓6~100 V,通過一個外部N 溝道MOSFET,可以使用標(biāo)稱值為12 V 的輸入驅(qū)動20 個1 A 的白光LED,效率超過94%,頻率范圍為100 kHz~1MHz.

LT3756 采用True Color PWM調(diào)光技術(shù)，調(diào)光范圍可達(dá)3 000:1.

3 軟件流程

系統(tǒng)遙控器的主控程序流程如圖6 所示。無線遙控系統(tǒng)本質(zhì)上只是將接收機(jī)本機(jī)輸入裝置以無線方式加以延伸，故其遙控器程序的主要任務(wù)是檢測按鍵和發(fā)送鍵值。采用休眠-中斷機(jī)制可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的低平均功耗。

RF4CE 與紅外遙控相比，一個很重要的優(yōu)點(diǎn)是雙向通信，遙控器發(fā)出鍵值后，可根據(jù)是否有正確的回應(yīng)信息，控制狀態(tài)指示燈的亮滅和閃爍，從而提醒用戶進(jìn)行正確的操作。

4 結(jié)語

本文了提出了一套LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計方案，本方案中所設(shè)計的智能照明系統(tǒng)將最新射頻遙控技術(shù)RF4CE 用于LED 照明控制，從而克服了現(xiàn)有DALI、C-Bus 等照明控制系統(tǒng)在開放性、可靠性、安全性、互操作性、設(shè)備及運(yùn)行成本等方面存在的不足。經(jīng)實(shí)測，本LED 照明調(diào)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所要求的各項(xiàng)功能，遙控距離不小于30 m( 開闊地)， 遙控器平均電流小于10μA,能以較高的性價比實(shí)現(xiàn)LED 照明系統(tǒng)的智能調(diào)控，同時提高電能利用效率。