基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)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(xiàn)，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(nèi)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(jù)外界自然光強度變化而自動調(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)進行本地?zé)o線開燈或關(guān)燈，不僅省時省力、無額外的無線通信費用，而且通過以太網(wǎng)，還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

1 整體設(shè)計方案
    智能調(diào)光系統(tǒng)主要為教室、大型辦公場所等建筑而設(shè)計，因此，以某個教學(xué)樓為例，講述了方案整體設(shè)計思路，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由遠程監(jiān)控機、主監(jiān)控機、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)。光敏電阻對室內(nèi)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(shè)備，對檢測值和給定值進行對比，調(diào)節(jié)輸出的PWM波占空比，即可調(diào)節(jié)自光LED的光強；同時，ZigBee終端設(shè)備將剛采集的光強信號傳送給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)控機進行顯示；同時，在主監(jiān)控機上點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)，異地的遠程監(jiān)控機也可以對室內(nèi)照明燈進行控制、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)點均由CC2430芯片構(gòu)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(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)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(nèi)存和微控制器。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點的管理等任務(wù)，需要對接收的數(shù)據(jù)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(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(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：將光照檢測電路獲得的電壓信號送給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)動芯片TPS61040輸入控制端EN的控制信號，使驅(qū)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(jīng)濟可靠的光電轉(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，電阻阻值下降。系統(tǒng)設(shè)計采用MG41型光敏電阻。
    系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動電路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開關(guān)頻率高達500 Hz，由于芯片內(nèi)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(xiàn)極高的效率。本文設(shè)計的TPS61040白光LED驅(qū)動電路如圖4所示。該電路可以實現(xiàn)負載斷開、過電壓保護、PWM調(diào)光等功能。

3 系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計
3．1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計
    本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器有兩個任務(wù)，一個是與PC機進行通信，互相傳送數(shù)據(jù)；另一個是與其他終端設(shè)備進行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)點設(shè)計
    終端設(shè)備的軟件設(shè)計包括A／D轉(zhuǎn)換、定時計數(shù)器等，其中最主要的是控制光強PWM波占空比設(shè)計。
     PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。系統(tǒng)采用定時器T4，它是8位定時／計數(shù)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(dāng)實際光強大于光強合適區(qū)的上限時，調(diào)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(dāng)實際光強小于光強合適區(qū)的下限時，調(diào)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(dāng)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(diào)節(jié)定時器的寄存器。

4 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)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(jié)構(gòu)、串口通信部分組成，可以實現(xiàn)一鍵開燈、一鍵關(guān)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(shè)置主要用于設(shè)置PC機與網(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、奇偶檢驗位、數(shù)據(jù)位和停止位等。
    為了使系統(tǒng)運行安全可靠，還設(shè)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(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機通過遠程登錄到該服務(wù)器。這樣，就可以遠程監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。

5 結(jié)語
    經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸可靠性的測試時，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；手移開，白光LED亮度變暗。將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率提高后，可以實現(xiàn)無級調(diào)光，并在上位機上監(jiān)控運行狀況。