基于ZigBee技术的智能照明系统设计

  摘要：针对目前室内传统照明电能浪费、布线麻烦、系统安装成本高等诸多问题，设计了一种基于无线网络的核心器件，并结合TI公司的Z-Stack协议栈来实现对室内所有灯节点的单控、全控、开关控制、256级调光控制以及情景模式转换等功能，同时提出了一种室内多个LED灯节点对定点精确调光的方案，进而达到使照明系统更加人性化、安全和节能的设计目的。

  随着现代科学技术的发展和我们正常的生活水平的提高，智能家居、家庭自动化等早已为大众所熟知，而智能照明系统作为家庭自动化的应用之一，具有广阔的应用前景。目前，传统照明存在着一系列缺点，如发光效率低、常规使用的寿命短、布线麻烦、系统可扩展性差，远远不能够满足现代社会对高效、自动化和节能照明技术的现实需求。针对传统照明系统的不足，采用无线通信技术是实现智能照明系统的理想选择。Zjg Bee技术作为一种新兴的近距离无线通信技术，具有短距离、低功耗、低速率和高可靠性等特点，因而是无线智能照明系统的最佳解决方案。为此，本文设计了一种基于ZigBee无线网络技术的智能照明系统，该系统采用ZigBee无线网络定位技术，房间内的每个照明设备就是一个无线节点，系统可实现自组网，无线遥控节点可以整体对室内照度设置几种默认的工作模式和整体任意调节亮度，也可以再一次进行选择任何单个灯节点进行照度调节以及开关控制；将遥控节点放在室内某一位置，并设置一定的照度值，该位置就能达到相应的照度值，而不影响其他区域的照度，以此来实现对室内照明的智能控制。

  ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据率的无线组网通信技术，ZigBee技术是介于无线标记和蓝牙之间的技术方案工作组，大多数都用在近距离无线连接，而且具有自己的无线(ZigBee)技术标准，这是IEEE无线个人区域(Personal Area Netwo rk，PAN)工作组所规定的一项标准。ZigBee技术主要具有低功耗、短延时、短距离、高安全、低速率、覆盖范围广、网络容量大等特点，并且具有廉价的市场定位，很适合在照明系统中应用。一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能支持高达254个节点。如果外加一个全功能器件，也可实现双向通信。ZigBee采用自组网方式实现组网，在整个网络范围内，节点之间以接力的方式通过无线电波来实现通信，通信效率非常高。

  本系统中的无线节点模块采用的微控制器为CC2431。CC2431是TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统(SoC)解决方案，能满足低功耗ZigBee／IEEE 802．15．4无线 GHz DSSS(直接序列扩频)RF射频收发器核心，因而所需要的外围元件很少，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能。处于休眠模式时，整个芯片的流耗小于0．9 A，可从硬件上支持CSMA／CA机制，还集成有ADC、AES安全协处理器和USART等片上外设及丰富的I／O 口资源。无线节点模块的硬件结构框图如图1所示，图中，微控制器输出的PWM控制信号经过光耦隔离控制接口后，再通过调光模块或继电器，就能轻松实现LED照明灯的开关、256级调光等功能控制。

  系统中的LED驱动电路原理图如图2所示，其中的HV9910是一个高效PWM LED驱动控制集成电路，它使用高压隔离连接工艺，能经受高达450 V的浪涌输入电压的冲击，它在输入电压从直流8～450 V范围内，部能有效驱动高亮LED。该芯片能以高达300 kHz的固定频率驱动外部OSFET，其频率由外部电阻设置决定。为了能够更好的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，其恒流值由外部取样电阻值决定，变化范围可以从几毫安到1 A。一个LED串的输出电流可以被设定在0到它的最大值之间的任何值，且由输入到HV9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另外，HV9910也提供有一个低频的PWM调光功能，能接收外部几千赫兹的控制信号，以使在0～100％的占空比下进行调光。

  遥控模块是ZigBee网络中所需要的无线手持设备，可自动搜寻ZigBee设备，并加入到网络中建立通信关系，使自己成为其中的一个节点，进而对整个照明系统来进行遥控。遥控节点硬件框图如图3所示，遥控节点将键盘信息传至网络协凋器后，网络协调器将响应相应的控制状态，并发送至终端无线节点，最后由终端节点通过调光单元改变照明设备的状态。另外，遥控器还带有亮度感测模块，可用于感测现场的亮度信息。系统中的12864液晶模块用于显示网络状态信息，电源部分采取电池供电。