基于无线网络控制的智能照明系统

摘要：根据节能环保、智能家居的需求，采用LED灯和TI的SoC芯片CC2431设计了一套基于ZigBee无线网络控制的智能照明系统。该系统可在兼容已有调光模式的基础上，利用照度值来精细调节局部照度，从而实现简单的照明定位控制。文中详细阐述了系统各个模块的软硬件设计方法。经实际室内测试表明：该系统性能良好，操控简便，而且更加人性化。
关键词：智能家居；ZigBee；CC2431；LED；无线网络

0 引言
    随着人们生活水平的提高，节能环保、智能化的家用设施越来越受到人们的青睐。然而，经过前期社会调查，目前，国内市场上的灯光照度调节控制系统普片存在两大不足：一是很少使用节能灯；二是仅限于整体调节，不能进行局部精细的调节，达不到灯光人性化和节能的目的。本文针对这些问题设计出了一种基于无线网络控制的智能照明系统。

1 系统硬件设计
1．1 主控制模块
    ZigBee技术是当前发展较为迅速且日趋成熟的一种无线通汛技术，ZigBee技术采用国际通用免费频段2．4GHz，具有低功耗、低成本、低复杂度等优点，且能自动组网，网络容量大，可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可以进行数据通讯。ZigBee网络具有星状、树状和网状拓扑结构。CC2431是一个真正的片上系统(SoC)，主要用于无线传感网络ZigBee／IEEE 802．15．4解决方案。图1所示是CC2431的实物模块示意图。

1．2 LED驱动电路模块
    LED具有低压、低功耗、高可靠性和长寿命等一系列优点，是一种符合环保和节能的绿色照明光源。随着LED技术的提升，新型LED节能灯的成本不断下降，无论在国际市场还是国内市场，LED已开始进入商业照明或部分家用照明市场，相对于传统照明方式(白炽灯、卤素灯、紧凑型荧光灯、直管荧光灯和金属卤化物灯)，LED照明展现出了良好的发展势头。
    本系统利用LED灯作为光源，并采用HV9910B芯片驱动设计方案。HV9910B是一个高效LED驱动控制集成电路，它在输入电压从8V DC到450V DC范围内能有效驱动高亮LED。为了保证亮度恒定并增强LED的可靠性，外部高亮LED串采用恒流控制方式，而不是恒压控制。其恒流值由外部取样电阻值决定，变化范围从几mA到1 A。一个LED串的输出电流可以设定为0到它的最大值之间的任何值。此外，HV9910B也提供有一个低频的PWM调光功能，能接受一个外部达几千赫兹的控制信号，并可在0～100％的占空比下进行调光。本系统采用PWM调光，其实际应用电路如图2所示。

1．3 RSSI(Recelved Signal Strength)定位技术
    RSSI是指节点接收到的无线信号的强度大小。在基于接收信号强度指示RSSI的定位中，如果已知发射节点的发射信号强度，接收节点就可以根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗，并利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术对硬件要求较低、算法相对简单，已在实验室环境中表现出良好特性。
    接收信号强良RRSSI理论值可由式(1)表示：
    RRSSI=-(10 nlgd+A)                (1)
    其中，射频参数A和n用于描述网络操作环境。在全向模式下，射频参数A被定义为用dBm表示的距离发射端1 m处接收到的信号强度的绝对值。如信号强度为-40 dBm，那么参数A被定为40。定位引擎的期望参数A为30．0～50．0，精度为0．5。参数A用无符号定点数值给出，最低位为小数位，而其余各位为整数位。A的一个典型值为40．0。射频参数n被定义为路径损失指数，它指出了信号能量随着其到收发器距离的增加而衰减的速率。衰减与d-n成比例，这里的d是发射器和接收器之间的距离。实际写入定位引擎的参数n是一个通过查表得到的整数索引值n_index，具体如表1所示。

    CC2431无线定位引擎基于RSSI技术，定位系统由参考节点和盲节点组成。参考节点是一个位于已知位置的静态节点，这个节点知道自己的位置并可以将其位置通过发送数据包通知其他节点。盲节点可从参考节点处接收数据包信号，以获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值，并将其送入定位引擎，然后再读出南定位引擎计算得到的自身位置。CC2431定位的基本操作流程如图3所示。

1．4 灯光照度
    照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位定义是每平方米的流明(Lm)数，也叫做勒克斯(Lux)：1 Lux=1 Lm／m2。本系统采用22 W节能荧光灯，经测试，其光强度(Lux)到中心距离(cm)的关系如图4所示。

2 系统软件设计
2．1 ZigBee协议栈
    本系统采用的是Zigbee精简版协议栈，精简版Zigbee协议栈与完整版协议大体相同，具有ZigBee协议栈的基本的C51源文件、NWK．C网络层源代码、定义文件NWK．H以及网络邻居代码等C51源代码，同时也包括802．15．4 MAC层的全部C51源代码。其部分代码如下：
   
2．2 节点程序设计
    ZigBee节点类型规定了协调器、路由器和终端没备三种，协调器负责启动和配置整个网络，它是网络的第一设备，可以保持间接寻址用的固定表格，并支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器；路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格或树型网络则可以有多个ZigBee路由器，ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器；端终设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通讯的设备，它的内存容量要求最少。
    本系统采用星型网络，有且只有一个协调器，其程序流程如图5所示，该协调器不需要路由，所以，其它的控制设备和遥控器均属于终端设备。

3 系统测试
    在一个大致30 m×40 m的室内布置3×4个LED灯来模拟一套基于ZigBee无线网络智能照明控制的系统。系统中的每个灯和遥控器都是一个ZigBee节点，选室内中间一个灯节点作为协调器，其余都作为终端设备。室内所有的节点组成一个ZigBee网络，该网络可对所有的灯实现多级调光，以实现对所有灯的整体控制，也可以实现对单个灯的控制，同时也可以对区域照度进行精细调节。
    另外，对新加入网络的遥控器也町以对其实现高精度的定位，其定位精度在室内良好的环境下可以达到1 m。该系统适合室内大型灯光控制，以满足不同区域灯光的照明需求，而且可以精细化、智能化，也更加节能。

4 结语
    随着人们生活水平的不断提高，智能化家居已成为国内研究的热点。伴随着ZigBee技术的不断成熟以及相关LED产品价格的逐步降低，巨大的民用市场将是其最终的发展方向。由于该智能化照明控制系统也符合国家节能减排的要求，应用前景广阔。