基于ZigBee技術的智能調光系統(tǒng)

  能源危機正在威脅著人類，要想可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能環(huán)保勢在必行。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。白光LED照明燈的出現，解決了原有燈具發(fā)光效率低等缺點，但是，在外界不是特別暗的時候，如果將室內的白光LED燈全部打開，又會造成不必要的電能浪費。因此，本文提出了一種可以根據外界自然光強度變化而自動調整白光LED燈亮度的智能照明系統(tǒng)，并且可通過ZigBee網絡進行本地無線開燈或關燈，不僅省時省力、無額外的無線通信費用，而且通過以太網，還可以實現遠程監(jiān)控。

1 整體設計方案
    智能調光系統(tǒng)主要為教室、大型辦公場所等建筑而設計，因此，以某個教學樓為例，講述了方案整體設計思路，系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。該系統(tǒng)由遠程監(jiān)控機、主監(jiān)控機、ZigBee網絡協(xié)調器、ZigBee終端設備、白光LED和光照傳感器等部分組成。

    工作過程如下：
    ZigBee網絡協(xié)調器組建網絡成功后，將ZigBee終端設備加入網絡。光敏電阻對室內工作面上的光照強度進行光強采集，將采集的實時光強信號傳送給ZigBee終端設備，對檢測值和給定值進行對比，調節(jié)輸出的PWM波占空比，即可調節(jié)自光LED的光強；同時，ZigBee終端設備將剛采集的光強信號傳送給ZigBee網絡協(xié)調器，網絡協(xié)調器通過串口將數據傳送給主監(jiān)控機進行顯示；同時，在主監(jiān)控機上點擊一鍵開燈或一鍵關燈，可以通過ZigBee網絡打開白光LED燈或將其關閉。另外，通過以太網，異地的遠程監(jiān)控機也可以對室內照明燈進行控制、監(jiān)視。

2 系統(tǒng)硬件部分
2．1 ZigBee網絡協(xié)調器
    系統(tǒng)的硬件核心是CC2430芯片，ZigBee網絡協(xié)調器和終端節(jié)點均由CC2430芯片構成。它是一個真正的系統(tǒng)芯片(SoC)COMS解決方案，可以滿足ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用，且成本低，功耗小。它包括1個高性能的2．4 GHz直接序列擴頻射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器，芯片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。
    ZigBee網絡協(xié)調器負責ZigBee網絡的建立、節(jié)點的管理等任務，需要對接收的數據進行處理，以及通過RS 232串口與PC機連接通信。
    本系統(tǒng)選擇CC2430的UART0作為串口通信接口，其對應的管腳如表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。為此設計了一種基于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機之間可以通過RS 232通信協(xié)議，選用MAX232芯片實現串口電平轉換功能。ZigBee網絡協(xié)調器原理圖如圖2所示。

2．2 ZigBee終端設備
    終端設備硬件結構框圖如圖3所示。
    工作過程如下：將光照檢測電路獲得的電壓信號送給CC2430芯片的A／D轉換接口，經過內部編程，通過調節(jié)PWM波的占空比來調節(jié)白光LED驅動芯片TPS61040輸入控制端EN的控制信號，使驅動白光LED燈發(fā)光的電流穩(wěn)定在所需光強。
    光敏電阻是一種經濟可靠的光電轉換器件，利用它的光導效應，當光線照在光敏電阻上時，電阻阻值下降。系統(tǒng)設計采用MG41型光敏電阻。
    系統(tǒng)采用恒流驅動電路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開關頻率高達500 Hz，由于芯片內部與SW引腳相連的MOSFET是一個低電阻集成電源FET，它有助于實現極高的效率。本文設計的TPS61040白光LED驅動電路如圖4所示。該電路可以實現負載斷開、過電壓保護、PWM調光等功能。

3 系統(tǒng)下位機軟件設計
3．1 網絡協(xié)調器節(jié)點設計
    本系統(tǒng)的網絡協(xié)調器有兩個任務，一個是與PC機進行通信，互相傳送數據；另一個是與其他終端設備進行ZigBee通信，其軟件流程圖如圖5所示。

3．2 終端設備節(jié)點設計
    終端設備的軟件設計包括A／D轉換、定時計數器等，其中最主要的是控制光強PWM波占空比設計。
     PWM控制就是對脈沖寬度進行調制的技術。系統(tǒng)采用定時器T4，它是8位定時／計數器，支持輸出比較和PWM輸出，光強控制策略如圖6所示。

    光強控制策略如下：
    (1)當實際光強大于光強合適區(qū)的上限時，調節(jié)定時器的寄存器，使得PWM占空比變小，光強變小，逐漸回到光強合適區(qū)；
    (2)當實際光強小于光強合適區(qū)的下限時，調節(jié)定時器的寄存器，使得PWM占空比變大，光強變大，逐漸回到光強合適區(qū)；
    (3)當實際光強在光強合適區(qū)中時，由于系統(tǒng)誤差的存在，以及人眼對光強小范圍的變化不是特別敏感，可以不用調節(jié)定時器的寄存器。

4 系統(tǒng)上位機軟件設計
    監(jiān)控機系統(tǒng)采用LabVIEW進行編程，它的主體由狀態(tài)機結構、串口通信部分組成，可以實現一鍵開燈、一鍵關燈功能，并且觀察光照值。狀態(tài)機功能列表如表2所示。

    通信串口設置主要用于設置PC機與網絡控制器的串口通信參數，包括串口端口的選擇、波特率、奇偶檢驗位、數據位和停止位等。
    為了使系統(tǒng)運行安全可靠，還設計了安全登錄子系統(tǒng)，即只有先登錄該系統(tǒng)才能完成整個系統(tǒng)的監(jiān)控。登錄程序如圖7所示。

    最后，將主監(jiān)控機設置為服務器系統(tǒng)，通過網站技術可以讓接入以太網的PC機通過遠程登錄到該服務器。這樣，就可以遠程監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。

5 結語
    經過測試，該系統(tǒng)可以滿足功能方面的需求，用TI的SmartRFStudio信號測試軟件在對ZigBee模塊無線收發(fā)與數據傳輸可靠性的測試時，結果比較好。在20多米的有障礙空間中，使得CC2430工作在最強發(fā)射功率下，可以比較穩(wěn)定傳輸數據，這符合ZigBee的理論值。
    用手遮擋光敏電阻來模擬室內光線變暗，白光LED的亮度變強；手移開，白光LED亮度變暗。將系統(tǒng)的調節(jié)頻率提高后，可以實現無級調光，并在上位機上監(jiān)控運行狀況。