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
    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。

    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。

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。

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。

    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。

    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。

    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。