智能無線LED照明系統研究與設計

陳萬里,李偉,柴遠波

(黃河科技學院 河南 鄭州 450063)

智能無線LED照明系統研究與設計

陳萬里,李偉,柴遠波

(黃河科技學院 河南 鄭州 450063)

短距離無線通信技術是目前新興的通信網絡技術,它的應用有效地克服了傳統有線控制的弊端,使得系統更加智能化。此外,隨著綠色照明與智能家居日益受到廣泛關注,短距離無線通信技術也逐漸開始應用在相關領域。所以,針對于此,文中設計并完成了基于TI CC430系列和UCC28810的無線LED照明系統,實驗證明該智能無線LED照明系統具有開關記憶、明暗調節、軟啟動和定時控制等優點。

LED；智能照明系統；TI CC430；UCC28810

照明系統與人民生活息息相關,但目前絕大部分照明系統都是利用各類普通開關對燈具進行打開和關閉,燈光的亮度調節也是通過普通的調光開光進行相應的調節。每次進行照明系統的操作須走到開關處才能完成,且一個開關一般只對應一路燈具,導致需要安裝很多開關,因此非常有必要設計一種集調光和開關一體的無線遙控發射接收裝置以提升照明系統的智能化。這將有效地克服傳統有線控制的弊端,減少線路布局,并使人們可自由的在任何地方都可對照明系統進行相應的操作。

基于這種需求,文中設計了一種智能無線LED照明系統,具有以下6種功能:1）集中控制和多點操作的功能；2）軟啟動功能:開燈時,燈光由暗漸亮,關燈時,燈光由亮漸暗。避免大電流沖擊,保護照明系統,延長使用壽命；3）燈光明暗調節功能:調節不同燈光的亮度,操作方便；4）全開全關和記憶功能；5）定時控制功能；6）亮度自適應調節。

1 系統方案設計

文中設計采用了TI的CC430［1］無線通信平臺,該平臺融合了基于16Bit的超低功耗MSP430內核以及業界領先的不足1GHz的CC1101 RF收發器之上。完美的結合實現了獨特的低功耗/高性能組合與前所未有的高集成度,帶來更為先進的高選擇性與高阻塞性能,確保即使在噪聲環境下也能實現可靠通信。能夠充分利用其高達25 MHz的峰值執行性能,且功耗僅為160 μA/MHz。

針對基于CC430的設備,TI提供了種類豐富的MSP430 MCU外設集,如12-Bit的ADC、LCD驅動以及比較器等高性能數字與模擬外設。此外,還具有AES-128硬件安全模塊確保通信的安全性［1-2］。

無線LED照明系統的整體框圖如圖1所示。其中控制端部分設計為采用雙節AA電池供電的手持式遙控模塊,其基于CC430F6137,帶有段式LCD驅動,豐富的I/O口資源,以及能夠構建觸摸功能的比較器；而接收端則基于CC430F5137,其帶有12-Bit的 ADC以及多通道的PWM模塊［3］。

通過在控制端CC430F6137的比較器B上構建觸摸滑條與按鍵功能,對滑條的觸摸位置進行檢測并轉換為PWM的占空比,通過雙邊的RF模塊發送/接收相應的調制參數,再由接收端CC430F5137產生調節LED燈亮度的PWM信號,對驅動模塊UCC28810進行調制［4］,如圖2所示。

圖1 智能無線LED照明系統的結構框圖Fig.1 The structure diagram of intelligent wireless LED lighting system

圖2 觸摸滑條與PWM示意圖Fig.2 Touch sliding strip and PWM diagram

2 系統硬件電路設計

2.1 RF模塊硬件電路設計

CC430的射頻模塊使用的是業界領先的不足1GHz的CC1101 RF收發器［5］,該部分是基于RF頻率的直接合成,其射頻合成器包括一個完整芯片的LC-VCO和一個對接模式的混頻器進行頻率合成。該射頻的接收單元將RF信號通過低噪聲放大器（LNA）進行前置放大,再對其中頻信號進行濾波、數據解調以及同步包等工作。CC430支持的頻率范圍為: 300～348 MHz；389～464 MHz；779～928 MHz；在本設計中使用的是433 MHz的載波頻率,鑒于應用場合其要求的傳輸速率較低,因此選用的是3.2 Kbps；并通過PATABLE對輸出功率進行調整,滿足不同的距離需求。

RF模塊的硬件電路在整個系統設計中尤為重要,如圖3所示。圖中的C5,C9,L3以及L8形成一個平衡轉換器,用以將CC430上的差分端口RF_N/RF_P平衡電路轉換成單端不平衡的RF信號,方便將振子流過電纜屏蔽層外的高頻電流截斷。圖中的L5,C10和L4構成了帶通濾波器；L2,L6和C8構成低通濾波器［6］。在本設計中RF的天線采用的是鞭狀天線或者陶瓷天線。

圖3 RF前端電路Fig.3 RF front end circuit

2.2 觸摸滑條的硬件電路構建

在本設計中,控制端部分為手持式遙控模塊。其設計的人機交互界面主要是LCD顯示以及觸摸按鍵。其中將觸摸滑條的功能用于調節LED的亮度,是系統中較為形象與新穎的設計之一。其充分利用了MSP430的自身資源特性,在CC430F6137集成的比較器COM_B以及PCB Layout的傳感電容上,構建了基于弛張振蕩方式（RO）的觸摸按鍵功能,由于在COMP_B中自帶有REF參考電壓配置網絡,因此無需像COMP_A那樣使用外部硬件方式實現參考電壓網絡［7］。其原理是主要通過TimerA測量RC振蕩電路在固定時間內的振蕩次數,當人手觸摸在傳感電容上,會改變其自身電容值,使得對應的振蕩次數發生明顯變化,以此來判斷觸摸/非觸摸的狀態。構建一個4/5級觸摸滑條與2個觸摸按鍵。

2.3 傳感器硬件電路設計

光敏傳感器的使用使得LED照明系統能夠實現亮度自調節功能,硬件電路如圖5所示。光敏傳感器使用的是光敏電阻,因其有著良好的光電特性以及價格優勢,非常適合于光強檢測場合的使用［8］。系統中主要通過對Vo電壓的檢測,反映光強的變化,進而對PWM進行相應的調制。

圖4 光敏傳感器電路Fig.4 Photosensitive sensor circuit

3 系統軟件設計

3.1 RF模塊實現

在整個系統中,RF模塊是通信傳輸的橋梁,雙邊都須進行協議相同的RF軟件模塊設計。其發送模式和接收模式的數據包主要通過FIFO［9］來進行處理,一幀的格式如下圖5所示。其中幀數據中包括前導碼、同步字、可選長度位、可選地址位、數據段和可選CRC字。

圖5 數據幀格式Fig.5 Data frame format

在設計時采用固定幀長度模式。通過對寄存器PKTLEN（=＜FIFO size）的設定。

在發送時,在TX FIFO中的數據段包括數據長度,主機地址,從機地址,控制模式,控制PWM參數,數據段CRC校驗［10］。其中,主機地址標識了控制端的地址；從機地址包括兩種地址:廣播地址與獨立地址,主要是用于集中控制與多點操作。控制模式提供了可選的模式選擇,控制PWM參數用于LED亮度調節［11］。

在接收時,RF的解調器和數據包處理器將尋找一個有效的前導和同步字。當找到后,解調器將獲得前導位和字同步,然后對接收的地址信息進行比照,首先判斷數據包是否來自控制端,然后響應含有廣播地址或者本機地址信息的數據。其發射/接收的流程圖如圖6所示。

圖6 RF模塊中TX/RX的流程圖Fig.6 Flow chart of the TX/RX in the RF module

在對射頻寄存器的配置過程中,主要通過SmartRFstudio來進行設置,輸出RFRegSettng.c作為射頻的配置文件。

3.2 觸摸滑條的軟件設計

觸摸滑條是由多個觸摸按鍵組合而成,通過為每個觸摸按鍵分配多個位置,可以實現簡單的觸摸滑條功能。在設計通過4～5個按鍵構成一個觸摸滑條,如在每個觸摸按鍵上創建8/16個位置,則可提供32/64個單獨步階檢測。其識別的步階數是對電容變化量的反映,電容變化幅度越大,測量的Δ值越大。通過設置一個系統能夠達到最大響應的上限值,用該最大的Δ值除以每個按鍵所需的步階數,再由每個按鍵經過加權計算后將產生1～32/64步階的線性結果。

3.3 控制端/接收端軟件設計

控制端/接收端軟件的流程圖如圖7所示,其中虛線上方為控制端CC430F6137的軟件設計,在Stand By模式時保持MSP430的低功耗模式,以滿足控制端遙控器對能耗的要求。通過對模式選擇的操作實現集中控制和多點操作,而觸摸滑條的處理通過將Position轉換為PWM由RF發送至接收端CC430F5137［12］。接收端則處理來自控制端的數據包,對LED照明進行亮度調節,或自動調節。本設計的軟件采用C語言編寫,整個程序包括的子模塊有:模式選擇模塊,觸摸滑條檢測模塊,數據發送/接收模塊,PWM轉換模塊,傳感器檢測模塊等幾個部分［13］。

圖7 軟件流程圖Fig.7 The software flow chart

4 結論

文中研究并實現了以CC430為控制核心的無線LED照明系統的設計。整個系統經過軟/硬件設計與調試后實現了要求的功能。實測過程中能夠有效地進行集中控制和多點單獨控制,定時控制,自動調光等預設功能,滿足當前市場對此類解決方案的功能要求。

［1］Microchip Technology Inc.CC430 Family User's Guide［Z］.Datasheet，Microchip Technology Inc,2013（1）:1-23.

［2］Microchip Technology Inc.CC430 F613x，CC430F612x，CC43-F513x MSP430 SoC with RF Core Datasheet［Z］.Datasheet，Microchip Technology Inc，2013（7）:13-33.

［3］楊軍平，吳欣慧，秦長海.LED智能照明控制系統的設計［J］.電子產品世界,2009（6）:45-47.YANG Jun-ping，WU Xin-hui，QIN Chang-hai.LED intelligent lighting control system design of［J］.Electronic Products in the World，2009（6）:45-47.

［4］梁宏寶，白林，朱安慶.LED智能節能照明控制系統的設計［J］.電子產品世界,2008（2）:18-19.LIANG Hong-bao，BAI Lin，ZHU An-qing.LED intelligent lighting control system design of［J］.Electronic Products in the World，2008（2）:18-19.

［5］趙玲，朱安慶.智能LED節能照明系統的設計［J］.半導體技術,2008（2）:33-34.ZHAO Ling，ZHU An-qing.Design of intelligent energysaving LED lighting system ［J］.Semiconductor Technology，2008（2）:33-34.

［6］李永新，鄧鄒超，柴健強，等.一種基于Wi-Fi技術的智慧家居控制系統的研制［J］.科技視界,2014（5）:67-69.LI Yong-xin，DENG Zou-chao，CHAI Jian-qiang，et al.A WiFi technical wisdom home furnishing control system design based on［J］.Technology Horizon，2014（5）:67-69.

［7］賈冬穎，王巍.基于STC單片機LED智能照明系統的設計［J］.照明工程學報,2010（02）:13-14.JIA Dong-ying，WANG Wei.Based on STC microcontroller LED interlligent［J］.Lighting Engineering Joural，2010（2）:13-14.

［8］王立剛，建天成，李晶晶.智能LED照明系統的研究與設計［J］.黑龍江大學自然科學學報,2009（4）:27-29.WANG Li-gang，JIAN Tian-cheng，LI Jing-jing.Research on intelligent LED lighting systemand design［J］.Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2009（4）:27-29.

［9］李勇，洪志剛，李泳湛.AVR單片機在LED遙控照明中的應用［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010（7）:11-13.LI Yong，HONGg Zhi-gang，LI Yong-zhan.The AVR MCU in the LED remote control lightingin the application of［J］.Microcontroller and Embedded System Application，2010（7）: 11-13.

［10］于君，王洋.智能LED照明系統設計流程探討［J］.電氣應用, 2011（6）:79-81.YU Jun，WANG Yang.Discussion on the intelligent design process of LED lighting system ［J］.Electrical Applications，2011（6）:79-81.

［11］王嘯東.智能LED照明驅動系統設計［J］.照明工程學報, 2011（6）:15-17.WANG Xiao-dong.Intelligent LED lighting drive system design［J］.Journal of Lighting Engineering，2011（6）:15-17.

［12］Blasko V.Analysis of a hybrid PWM based on modified space-vector and triangle-comparison methods［J］.IEEE Trans on IA，1997，33（3）:756-764.

［13］Grid-Connected Solar Microinverter Reference Design Using a dsPIC Digital Signal Controller［Z］.Datasheet，Microchip Technology Inc，2013（6）:1-11.

Research and design of intelligent wireless LED lighting system

CHEN Wan-li,LI Wei,CHAI Yuan-bo
（Huanghe S&T College,Zhengzhou 450063，China）

Short distance wireless communication technology is one of currently emerging applications using in communication network technology，it effectively overcomes the defect of traditional wired control，making the system more intelligent.In addition，with green lighting and intelligent Home Furnishing receives the widespread attention day by day，the short distance wireless communication technology is gradually applied in related fields.So，according to this，this paper designed and finished？a wireless LED lighting system based on TI series CC430 and UCC28810，experiments show that the intelligent wireless LED lighting system with switch memory，dim，soft start and timing control etc.

LED；Intelligent lighting system；TI CC430；UCC28810

TN86

：A

：1674-6236（2015）18-0163-04

2014-11-10稿件編號：201411053

河南省鄭州市“無線與移動通信網絡應用技術”科技創新團隊(121PCXTD511)

陳萬里（1981—）,男,河南開封人,碩士研究生,講師。研究方向:通信與電力電子技術。