基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)光系統(tǒng)
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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(shì)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(chǎng)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(cè)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。[!--empirenews.page--]
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(cè)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。
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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(cè)試,該系統(tǒng)可以滿足功能方面的需求,用TI的SmartRFStudio信號(hào)測(cè)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(cè)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。