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)硬件結(jié)構(gòu)圖" file="attachments/day_110401/11040115588b9d46f2c7659dbb.jpg" id="aimg_34744" onclick="zoom(this, this.src)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110812/ca72953b-f339-43d5-827a-93c36c06ea9b.jpg" status="2" style="width: 400px" />
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
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。