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。