基于ZigBee技术的智能调光系统

2011-04-06 00:05:37来源: 嵌入式公社 关键字:基于ZigBee技术的智能调光系统
  能源危机正在威胁着人类,要想可持续发展,节能环保势在必行。一直以来,千家万户的照明灯都是用白炽灯和荧光灯,但是它们的发光效率低,造成了大量的电能浪费。白光LED照明灯的出现,解决了原有灯具发光效率低等缺点,但是,在外界不是特别暗的时候,如果将室内的白光LED灯全部打开,又会造成不必要的电能浪费。因此,本文提出了一种可以根据外界自然光强度变化而自动调整白光LED灯亮度的智能照明系统,并且可通过ZigBee网络进行本地无线开灯或关灯,不仅省时省力、无额外的无线通信费用,而且通过以太网,还可以实现远程监控。

  1 整体设计方案

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智能调光系统主要为教室、大型办公场所等建筑而设计,因此,以某个教学楼为例,讲述了方案整体设计思路,系统硬件结构图如图1所示。该系统由远程监控机、主监控机、ZigBee网络协调器、ZigBee终端设备、白光LED和光照传感器等部分组成。
  工作过程如下:
  ZigBee网络协调器组建网络成功后,将ZigBee终端设备加入网络。光敏电阻对室内工作面上的光照强度进行光强采集,将采集的实时光强信号传送给ZigBee终端设备,对检测值和给定值进行对比,调节输出的PWM波占空比,即可调节自光LED的光强;同时,ZigBee终端设备将刚采集的光强信号传送给ZigBee网络协调器,网络协调器通过串口将数据传送给主监控机进行显示;同时,在主监控机上点击一键开灯或一键关灯,可以通过ZigBee网络打开白光LED灯或将其关闭。另外,通过以太网,异地的远程监控机也可以对室内照明灯进行控制、监视。
  2 系统硬件部分
  2.1 ZigBee网络协调器
  系统的硬件核心是CC2430芯片,ZigBee网络协调器和终端节点均由CC2430芯片构成。它是一个真正的系统芯片(SoC)COMS解决方案,可以满足ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用,且成本低,功耗小。它包括1个高性能的2.4 GHz直接序列扩频射频收发器核心和1个工业级小巧高效的8051控制器,芯片上集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。
  ZigBee网络协调器负责ZigBee网络的建立、节点的管理等任务,需要对接收的数据进行处理,以及通过RS 232串口与PC机连接通信。
  本系统选择CC2430的UART0作为串口通信接口,其对应的管脚如表1所示。

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  为了使系统稳定工作,CC2430芯片要求供电电压为3.3 V。为此设计了一种基于AMS1117-3.3的稳压电路,将5 V左右的电压稳定在3.3 V。
  CC2430与PC机之间可以通过RS 232通信协议,选用MAX232芯片实现串口电平转换功能。ZigBee网络协调器原理图如图2所示。
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  2.2 ZigBee终端设备
  终端设备硬件结构框图如图3所示。
  工作过程如下:将光照检测电路获得的电压信号送给CC2430芯片的A/D转换接口,经过内部编程,通过调节PWM波的占空比来调节白光LED驱动芯片TPS61040输入控制端EN的控制信号,使驱动白光LED灯发光的电流稳定在所需光强。
  光敏电阻是一种经济可靠的光电转换器件,利用它的光导效应,当光线照在光敏电阻上时,电阻阻值下降。系统设计采用MG41型光敏电阻。
  系统采用恒流驱动电路,使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040开关频率高达500 Hz,由于芯片内部与SW引脚相连的MOSFET是一个低电阻集成电源FET,它有助于实现极高的效率。本文设计的TPS61040白光LED驱动电路如图4所示。该电路可以实现负载断开、过电压保护、PWM调光等功能。
  3 系统下位机软件设计
  3.1 网络协调器节点设计
  本系统的网络协调器有两个任务,一个是与PC机进行通信,互相传送数据;另一个是与其他终端设备进行ZigBee通信,其软件流程图如图5所示。

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  3.2 终端设备节点设计
  终端设备的软件设计包括A/D转换、定时计数器等,其中最主要的是控制光强PWM波占空比设计。
  PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。系统采用定时器T4,它是8位定时/计数器,支持输出比较和PWM输出,光强控制策略如图6所示。

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  光强控制策略如下:
  (1)当实际光强大于光强合适区的上限时,调节定时器的寄存器,使得PWM占空比变小,光强变小,逐渐回到光强合适区;
  (2)当实际光强小于光强合适区的下限时,调节定时器的寄存器,使得PWM占空比变大,光强变大,逐渐回到光强合适区;
  (3)当实际光强在光强合适区中时,由于系统误差的存在,以及人眼对光强小范围的变化不是特别敏感,可以不用调节定时器的寄存器。
  4 系统上位机软件设计
  监控机系统采用LabVIEW进行编程,它的主体由状态机结构、串口通信部分组成,可以实现一键开灯、一键关灯功能,并且观察光照值。状态机功能列表如表2所示。

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  通信串口设置主要用于设置PC机与网络控制器的串口通信参数,包括串口端口的选择、波特率、奇偶检验位、数据位和停止位等。
  为了使系统运行安全可靠,还设计了安全登录子系统,即只有先登录该系统才能完成整个系统的监控。登录程序如图7所示。

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  最后,将主监控机设置为服务器系统,通过网站技术可以让接入以太网的PC机通过远程登录到该服务器。这样,就可以远程监控整个系统的运行。
  5 结语
  经过测试,该系统可以满足功能方面的需求,用TI的SmartRFStudio信号测试软件在对ZigBee模块无线收发与数据传输可靠性的测试时,结果比较好。在20多米的有障碍空间中,使得CC2430工作在最强发射功率下,可以比较稳定传输数据,这符合ZigBee的理论值。
  用手遮挡光敏电阻来模拟室内光线变暗,白光LED的亮度变强;手移开,白光LED亮度变暗。将系统的调节频率提高后,可以实现无级调光,并在上位机上监控运行状况。

 

关键字:基于ZigBee技术的智能调光系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0406/article_5222.html
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