基于RF4CE的LED照明調(diào)控系統(tǒng)

　　本方案中所設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)可通過人機(jī)界面設(shè)置期望的光強(qiáng)、色溫及特殊照明效果，當(dāng)遙控器將控制需求發(fā)送到各LED調(diào)光器后，可由調(diào)光器自動(dòng)完成LED工作狀態(tài)的調(diào)控，以組成用戶所需的照明環(huán)境，并達(dá)到節(jié)能降耗的效果。經(jīng)實(shí)測(cè)，本LED 照明調(diào)控系統(tǒng)能以較高的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)LED 照明系統(tǒng)的智能調(diào)控，同時(shí)提高電能利用效率。

　　0 引言

　　以LED 為代表的新一代綠色環(huán)保光源近年來逐步得到普及應(yīng)用，人們對(duì)LED 照明高效控制和功能多樣化、個(gè)性化的要求也不斷提高。如何能夠根據(jù)用戶需求營(yíng)造特定場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的光環(huán)境，提高照明效率，減少能源浪費(fèi)，是LED 智能控制系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。

　　通信方式是LED 智能控制系統(tǒng)的重要組成部分。目前已有利用DALI、C-Bus、DMX512、以太網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及ZigBee、GPRS 等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)光源或LED 照明控制系統(tǒng)，然而，基于上述通信方式的LED 控制系統(tǒng)在控制協(xié)議的開放性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、安全性、設(shè)備硬件成本、運(yùn)營(yíng)成本等方面均存在一定程度的不足。

　　RF4CE 是2009 年由ZigBee 聯(lián)盟與RF4CE 聯(lián)盟共同提出的面向家電領(lǐng)域的射頻遙控標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是最終取代目前廣泛使用的紅外遙控技術(shù)。RF4CE 是基于IEEE802.15.4 物理層與MAC 層構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，具有非視距傳輸、雙向通信、超低功耗、互操作性好、采用免費(fèi)ISM 頻段等優(yōu)點(diǎn)，可作為家庭自動(dòng)化和娛樂應(yīng)用的重要無線通信平臺(tái)。

　　針對(duì)現(xiàn)有LED 照明控制系統(tǒng)存在的不足，本項(xiàng)目依據(jù)RF4CE 射頻遙控標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一套交互性好、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的LED 智能照明系統(tǒng)，可通過對(duì)家居及公共場(chǎng)所LED照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)控，實(shí)現(xiàn)用戶期望的各種照明環(huán)境，并達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　LED 照明調(diào)控系統(tǒng)由遙控器和大功率LED 調(diào)光器組成，雙方通過內(nèi)置RF4CE 協(xié)議的CC2530 模塊實(shí)現(xiàn)無線連接，圖1 所示是LED 調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。用戶利用遙控器按鍵輸入控制指令，指令以符合RF4CE 協(xié)議的數(shù)據(jù)包形式發(fā)送到調(diào)光器，調(diào)光器根據(jù)指令要求，結(jié)合當(dāng)前工作狀態(tài)，產(chǎn)生R、G、B 三組PWM 輸出，控制紅、綠、藍(lán)三種大功率LED 照明燈的功率，形成所需的光強(qiáng)或色溫效果。調(diào)光器中的EEPROM用于存儲(chǔ)特殊照明效果對(duì)應(yīng)的PWM 序列（即配方表）。

　　2 硬件電路

　　圖2 所示為遙控器主控電路的硬件原理圖。該遙控器以STC89C52 為主控制器，外設(shè)包括8 個(gè)操作按鍵和1 個(gè)狀態(tài)指示燈。STC89C52 與CC2530 模塊采用串行連接。為節(jié)省電能，STC89C52 和CC2530 平時(shí)均處于休眠狀態(tài)，8 個(gè)按鍵中的任何一個(gè)被按下時(shí)，除了使P2 口中對(duì)應(yīng)口線表現(xiàn)為低電平，也通過對(duì)應(yīng)二極管的導(dǎo)通產(chǎn)生外部中斷，將單片機(jī)從休眠中喚醒，并立即發(fā)送按鍵對(duì)應(yīng)的鍵值。CC2530 則利用串口中斷喚醒，及時(shí)將主控單片機(jī)發(fā)出的鍵值無線發(fā)送給LED 調(diào)光器。

　　圖3 所示為CC2530 模塊的硬件原理圖。圖中的CC2530是TI 公司推出的無線SoC 芯片，片上集成有80C51 微處理器、IEEE 802.15.4 RF 收發(fā)器、大容量存儲(chǔ)器和豐富的接口部件，通過加載ZigBee 和RF4CE 協(xié)議棧，可方便地實(shí)現(xiàn)基于兩種協(xié)議的典型應(yīng)用。CC2530 僅需少量外圍元件，其中，天線部分對(duì)無線通信性能的影響較大，故元件選擇和PCB 制版需嚴(yán)格遵守手冊(cè)中的注意事項(xiàng)。

　　圖4 所示為調(diào)光器主控電路的硬件原理圖。為產(chǎn)生獨(dú)立的3 路高頻PWM，采用了單時(shí)鐘周期的增強(qiáng)型51 內(nèi)核單片機(jī)STC12C5410AD，同樣晶振條件下的工作速度比普通51 單片機(jī)快8~12倍。STC12C5410AD與CC2530 模塊也采用串行連接。

　　3 路PWM 輸出分別接到R、G、B 3 個(gè)LED 驅(qū)動(dòng)器的PWM調(diào)光輸入端。AT24C64 為8 KB 串行EEPROM 存儲(chǔ)器，通過SCL、SDA與單片機(jī)的虛擬I2C接口相連，用于存儲(chǔ)場(chǎng)景配方表。

　　表1 所列是場(chǎng)景配方表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。每張表包括起始和結(jié)尾標(biāo)志，邏輯上以每種PWM 組合所持續(xù)的時(shí)間（單位：s）為基本記錄。

　　圖5 所示為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電路的硬件結(jié)構(gòu)。圖5 中，LT3756為新型大功率LED 驅(qū)動(dòng)芯片，輸入電壓6~100 V，通過一個(gè)外部N 溝道MOSFET，可以使用標(biāo)稱值為12 V 的輸入驅(qū)動(dòng)20 個(gè)1 A 的白光LED，效率超過94%，頻率范圍為100 kHz~1MHz.

　　LT3756 采用True Color PWM調(diào)光技術(shù)，調(diào)光范圍可達(dá)3 000:1.

　　3 軟件流程

　　系統(tǒng)遙控器的主控程序流程如圖6 所示。無線遙控系統(tǒng)本質(zhì)上只是將接收機(jī)本機(jī)輸入裝置以無線方式加以延伸，故其遙控器程序的主要任務(wù)是檢測(cè)按鍵和發(fā)送鍵值。采用休眠-中斷機(jī)制可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的低平均功耗。

　　RF4CE 與紅外遙控相比，一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是雙向通信，遙控器發(fā)出鍵值后，可根據(jù)是否有正確的回應(yīng)信息，控制狀態(tài)指示燈的亮滅和閃爍，從而提醒用戶進(jìn)行正確的操作。

　　4 結(jié)語

　　本文了提出了一套LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本方案中所設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)將最新射頻遙控技術(shù) RF4CE 用于LED 照明控制，從而克服了現(xiàn)有DALI、C-Bus 等照明控制系統(tǒng)在開放性、可靠性、安全性、互操作性、設(shè)備及運(yùn)行成本等方面存在的不足。經(jīng)實(shí)測(cè)，本LED 照明調(diào)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所要求的各項(xiàng)功能，遙控距離不小于30 m（ 開闊地）， 遙控器平均電流小于10μA，能以較高的性價(jià)比實(shí)現(xiàn)LED 照明系統(tǒng)的智能調(diào)控，同時(shí)提高電能利用效率。