基于ZigBee技術的智能照明系統(tǒng)設計
摘要:針對目前室內傳統(tǒng)照明電能浪費、布線麻煩、系統(tǒng)安裝成本高等諸多問題,設計了一種基于ZigBee技術的無線智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集射頻與微控制器為一體的片上系統(tǒng)CC2431作為ZigBee無線網絡的核心器件,并結合TI公司的Z-Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)對室內所有燈節(jié)點的單控、全控、開關控制、256級調光控制以及情景模式轉換等功能,同時提出了一種室內多個LED燈節(jié)點對定點精確調光的方案,從而達到使照明系統(tǒng)更加人性化、安全和節(jié)能的設計目的。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/200378.htm關鍵詞:無線網絡;ZigBee;智能照明系統(tǒng);CC2431
0 引言
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和人們生活水平的提高,智能家居、家庭自動化等早已為大眾所熟知,而智能照明系統(tǒng)作為家庭自動化的應用之一,具有廣闊的應用前景。目前,傳統(tǒng)照明存在著一系列缺點,如發(fā)光效率低、使用壽命短、布線麻煩、系統(tǒng)可擴展性差,遠遠不能滿足現(xiàn)代社會對高效、自動化和節(jié)能照明技術的現(xiàn)實需求。針對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足,采用無線通信技術是實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的理想選擇。Zjg Bee技術作為一種新興的近距離無線通信技術,具有短距離、低功耗、低速率和高可靠性等特點,因而是無線智能照明系統(tǒng)的最佳解決方案。為此,本文設計了一種基于ZigBee無線網絡技術的智能照明系統(tǒng),該系統(tǒng)采用ZigBee無線網絡定位技術,房間內的每個照明設備就是一個無線節(jié)點,系統(tǒng)可實現(xiàn)自組網,無線遙控節(jié)點可以整體對室內照度設置幾種默認的工作模式和整體任意調節(jié)亮度,也可以選擇任何單個燈節(jié)點進行照度調節(jié)以及開關控制;將遙控節(jié)點放在室內某一位置,并設置一定的照度值,該位置就能達到相應的照度值,而不影響其他區(qū)域的照度,從而實現(xiàn)對室內照明的智能控制。
1 ZigBee技術
ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線組網通信技術,ZigBee技術是介于無線標記和藍牙之間的技術方案工作組,主要用于近距離無線連接,而且具有自己的無線電標準,即IEEE 802.15.4(ZigBee)技術標準,這是IEEE無線個人區(qū)域(Personal Area Netwo rk,PAN)工作組所規(guī)定的一項標準。ZigBee技術主要具有低功耗、短延時、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網絡容量大等特點,并且具有廉價的市場定位,非常適合在照明系統(tǒng)中應用。一個基于ZigBee的無線個域網(WPAN)能支持高達254個節(jié)點。如果外加一個全功能器件,也可實現(xiàn)雙向通信。ZigBee采用自組網方式實現(xiàn)組網,在整個網絡范圍內,節(jié)點之間以接力的方式通過無線電波來實現(xiàn)通信,通信效率非常高。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 無線節(jié)點模塊
本系統(tǒng)中的無線節(jié)點模塊采用的微控制器為CC2431。CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案,能滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線網絡應用需要。CC2431內部集成有增強型8051和2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)RF射頻收發(fā)器核心,因而所需要的外圍元件很少,具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性能。處于休眠模式時,整個芯片的流耗小于0.9 μA,可從硬件上支持CSMA/CA機制,還集成有ADC、AES安全協(xié)處理器和USART等片上外設及豐富的I/O 口資源。無線節(jié)點模塊的硬件結構框圖如圖1所示,圖中,微控制器輸出的PWM控制信號經過光耦隔離控制接口后,再通過調光模塊或繼電器,就可以實現(xiàn)LED照明燈的開關、256級調光等功能控制。
2.2 LED調光模塊
系統(tǒng)中的LED驅動電路原理圖如圖2所示,其中的HV9910是一個高效PWM LED驅動控制集成電路,它使用高壓隔離連接工藝,能經受高達450 V的浪涌輸入電壓的沖擊,它在輸入電壓從直流8~450 V范圍內,部能有效驅動高亮LED。該芯片能以高達300 kHz的固定頻率驅動外部OSFET,其頻率由外部電阻設置決定。為了保證亮度恒定并增強LED的可靠性,外部高亮LED串采用恒流控制方式,其恒流值由外部取樣電阻值決定,變化范圍可以從幾毫安到1 A。一個LED串的輸出電流可以被設定在0到它的最大值之間的任何值,且由輸入到HV9910的線性調光器的外部控制電壓所控制。另外,HV9910也提供有一個低頻的PWM調光功能,能接收外部幾千赫茲的控制信號,以使在0~100%的占空比下進行調光。
2.3 無線遙控模塊
遙控模塊是ZigBee網絡中所需要的無線手持設備,可自動搜尋ZigBee設備,并加入到網絡中建立通信關系,使自己成為其中的一個節(jié)點,進而對整個照明系統(tǒng)進行遙控。遙控節(jié)點硬件框圖如圖3所示,遙控節(jié)點將鍵盤信息傳至網絡協(xié)凋器后,網絡協(xié)調器將響應相應的控制狀態(tài),并發(fā)送至終端無線節(jié)點,最后由終端節(jié)點通過調光單元改變照明設備的狀態(tài)。另外,遙控器還帶有亮度感測模塊,可用于感測現(xiàn)場的亮度信息。系統(tǒng)中的12864液晶模塊用于顯示網絡狀態(tài)信息,電源部分采用電池供電。
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