能源危機正在威脅著人類，要想可持續(xù)發(fā)展,，節(jié)能環(huán)保勢在必行,。一直以來，千家萬戶的照明燈都是用白熾燈和熒光燈,，但是它們的發(fā)光效率低,，造成了大量的電能浪費。白光LED照明燈的出現(xiàn),，解決了原有燈具發(fā)光效率低等缺點,，但是,，在外界不是特別暗的時候，如果將室內(nèi)的白光LED燈全部打開,，又會造成不必要的電能浪費,。因此，本文提出了一種可以根據(jù)外界自然光強度變化而自動調(diào)整白光LED燈亮度的智能照明系統(tǒng),，并且可通過ZigBee網(wǎng)絡進行本地無線開燈或關(guān)燈,，不僅省時省力、無額外的無線通信費用,，而且通過以太網(wǎng),，還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
1 整體設計方案
智能調(diào)光系統(tǒng)主要為教室,、大型辦公場所等建筑而設計,，因此，以某個教學樓為例,，講述了方案整體設計思路,，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由遠程監(jiān)控機,、主監(jiān)控機,、ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設備,、白光LED和光照傳感器等部分組成,。
工作過程如下：
ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡成功后，將ZigBee終端設備加入網(wǎng)絡,。光敏電阻對室內(nèi)工作面上的光照強度進行光強采集,，將采集的實時光強信號傳送給ZigBee終端設備，對檢測值和給定值進行對比,，調(diào)節(jié)輸出的PWM波占空比,，即可調(diào)節(jié)自光LED的光強；同時,，ZigBee終端設備將剛采集的光強信號傳送給ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給主監(jiān)控機進行顯示；同時,，在主監(jiān)控機上點擊一鍵開燈或一鍵關(guān)燈,，可以通過ZigBee網(wǎng)絡打開白光LED燈或?qū)⑵潢P(guān)閉。另外,，通過以太網(wǎng),，異地的遠程監(jiān)控機也可以對室內(nèi)照明燈進行控制、監(jiān)視。
2 系統(tǒng)硬件部分
2．1 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器
系統(tǒng)的硬件核心是CC2430芯片,，ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點均由CC2430芯片構(gòu)成。它是一個真正的系統(tǒng)芯片(SoC)COMS解決方案,，可以滿足ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應用,，且成本低，功耗小,。它包括1個高性能的2．4 GHz直接序列擴頻射頻收發(fā)器核心和1個工業(yè)級小巧高效的8051控制器,，芯片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,。
ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責ZigBee網(wǎng)絡的建立,、節(jié)點的管理等任務，需要對接收的數(shù)據(jù)進行處理,，以及通過RS 232串口與PC機連接通信,。
本系統(tǒng)選擇CC2430的UART0作為串口通信接口，其對應的管腳如表1所示,。
為了使系統(tǒng)穩(wěn)定工作,，CC2430芯片要求供電電壓為3．3 V。為此設計了一種基于AMS1117-3．3的穩(wěn)壓電路,，將5 V左右的電壓穩(wěn)定在3．3 V,。
CC2430與PC機之間可以通過RS 232通信協(xié)議，選用MAX232芯片實現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換功能,。ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器原理圖如圖2所示,。
2．2 ZigBee終端設備
終端設備硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
工作過程如下：將光照檢測電路獲得的電壓信號送給CC2430芯片的A／D轉(zhuǎn)換接口,，經(jīng)過內(nèi)部編程,，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比來調(diào)節(jié)白光LED驅(qū)動芯片TPS61040輸入控制端EN的控制信號，使驅(qū)動白光LED燈發(fā)光的電流穩(wěn)定在所需光強,。
光敏電阻是一種經(jīng)濟可靠的光電轉(zhuǎn)換器件,，利用它的光導效應，當光線照在光敏電阻上時,，電阻阻值下降,。系統(tǒng)設計采用MG41型光敏電阻。
系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動電路,，使用TI公司的TPS61040芯片,。TPS61040開關(guān)頻率高達500 Hz，由于芯片內(nèi)部與SW引腳相連的MOSFET是一個低電阻集成電源FET,，它有助于實現(xiàn)極高的效率,。本文設計的TPS61040白光LED驅(qū)動電路如圖4所示。該電路可以實現(xiàn)負載斷開、過電壓保護,、PWM調(diào)光等功能,。
3 系統(tǒng)下位機軟件設計
3．1 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點設計
本系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器有兩個任務，一個是與PC機進行通信,，互相傳送數(shù)據(jù),；另一個是與其他終端設備進行ZigBee通信，其軟件流程圖如圖5所示,。
3．2 終端設備節(jié)點設計
終端設備的軟件設計包括A／D轉(zhuǎn)換,、定時計數(shù)器等，其中最主要的是控制光強PWM波占空比設計,。
PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù),。系統(tǒng)采用定時器T4，它是8位定時／計數(shù)器,，支持輸出比較和PWM輸出,，光強控制策略如圖6所示。
光強控制策略如下：
(1)當實際光強大于光強合適區(qū)的上限時,，調(diào)節(jié)定時器的寄存器,，使得PWM占空比變小，光強變小,，逐漸回到光強合適區(qū),；
(2)當實際光強小于光強合適區(qū)的下限時，調(diào)節(jié)定時器的寄存器,，使得PWM占空比變大,，光強變大，逐漸回到光強合適區(qū),；
(3)當實際光強在光強合適區(qū)中時,，由于系統(tǒng)誤差的存在，以及人眼對光強小范圍的變化不是特別敏感,，可以不用調(diào)節(jié)定時器的寄存器,。
4 系統(tǒng)上位機軟件設計
監(jiān)控機系統(tǒng)采用LabVIEW進行編程，它的主體由狀態(tài)機結(jié)構(gòu),、串口通信部分組成,，可以實現(xiàn)一鍵開燈、一鍵關(guān)燈功能,，并且觀察光照值,。狀態(tài)機功能列表如表2所示。
通信串口設置主要用于設置PC機與網(wǎng)絡控制器的串口通信參數(shù),，包括串口端口的選擇,、波特率、奇偶檢驗位、數(shù)據(jù)位和停止位等,。
為了使系統(tǒng)運行安全可靠,，還設計了安全登錄子系統(tǒng)，即只有先登錄該系統(tǒng)才能完成整個系統(tǒng)的監(jiān)控,。登錄程序如圖7所示,。
最后，將主監(jiān)控機設置為服務器系統(tǒng),，通過網(wǎng)站技術(shù)可以讓接入以太網(wǎng)的PC機通過遠程登錄到該服務器,。這樣,，就可以遠程監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行,。
5 結(jié)語
經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以滿足功能方面的需求,，用TI的SmartRFStudio信號測試軟件在對ZigBee模塊無線收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸可靠性的測試時,，結(jié)果比較好。在20多米的有障礙空間中,，使得CC2430工作在最強發(fā)射功率下,，可以比較穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，這符合ZigBee的理論值,。
用手遮擋光敏電阻來模擬室內(nèi)光線變暗,，白光LED的亮度變強；手移開,，白光LED亮度變暗,。將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)頻率提高后，可以實現(xiàn)無級調(diào)光,，并在上位機上監(jiān)控運行狀況,。