賈雪

(吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130118)

0 引言

我國(guó)電力供應(yīng)不足及能源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，在一些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)“電荒”，因此，我國(guó)自20世紀(jì)80年代初就非常重視能源節(jié)約問(wèn)題.2005年修訂的《中國(guó)節(jié)能技術(shù)政策大綱》中就指出，推廣科學(xué)照明設(shè)計(jì)、采用節(jié)能型燈具和節(jié)能控制系統(tǒng)［1］.國(guó)家提倡綠色照明，也正在強(qiáng)制執(zhí)行建筑節(jié)能規(guī)定.有資料表明，在全社會(huì)能源消耗中，建筑能耗約占50%，而在使用過(guò)程中取暖、照明能耗約占全社會(huì)能源消耗的30%.由此可見，節(jié)約照明用電對(duì)節(jié)能具有重要意義.另外，人們對(duì)照明的要求不只是照亮的要求，而是對(duì)燈光的光色、藝術(shù)性、亮燈率、開關(guān)燈的準(zhǔn)確度、故障檢修的實(shí)時(shí)性和維修的及時(shí)性、運(yùn)行的低成本性等方面做了更高的要求，照明需求的變化導(dǎo)致了照明控制方式的改變，由最初的開關(guān)控制發(fā)展成綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)三者的智能照明系統(tǒng).本文本著在滿足用戶照明需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能，從系統(tǒng)照明光源及控制方式上考慮，設(shè)計(jì)出一套基于LED的智能照明系統(tǒng).

1 智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)源于舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng).智能照明是指利用計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術(shù)組成的分布式無(wú)線遙測(cè)、遙控、遙訊控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能化控制.具有燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、燈光軟啟動(dòng)、定時(shí)控制、場(chǎng)景設(shè)置等功能，并達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高效的特點(diǎn).智能照明系統(tǒng)主要采用的技術(shù)有電力載波技術(shù)、總線技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等技術(shù).

目前，應(yīng)用于建筑普通照明領(lǐng)域的智能照明系統(tǒng)主要有:Clipsal公司的C-Bus系統(tǒng)、Dynalite公司Dynalite系統(tǒng)、基于DALI協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)、基于EIB協(xié)議的控制系統(tǒng)及基于X-10協(xié)議的控制系統(tǒng).這些照明系統(tǒng)中控制信號(hào)的傳輸多采用專用總線，設(shè)計(jì)使用時(shí)需額外布線，存在增減設(shè)備需重新布線、安裝維護(hù)成本高、系統(tǒng)可擴(kuò)展性及靈活性差等弊端，雖然X-10系統(tǒng)無(wú)需布線，但采用電力線傳輸控制信號(hào)，容易受到電力線噪聲信號(hào)的干擾，系統(tǒng)可靠性差.因此，本文將無(wú)線通信技術(shù)與智能照明系統(tǒng)相結(jié)合，利用無(wú)線技術(shù)傳輸控制信號(hào)，以解決系統(tǒng)布線問(wèn)題.

2 ZigBee技術(shù)及LED照明特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，用于廉價(jià)的固定、便攜及移動(dòng)設(shè)備［2］.協(xié)議簡(jiǎn)單、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安全可靠及網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)［3］.主要應(yīng)用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用.ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站.通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75 m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展.

目前，短距離無(wú)線通信領(lǐng)域的大部分市場(chǎng)已被WiFi、藍(lán)牙及ZigBee這3種成熟技術(shù)占據(jù)了.由表1可以看出，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，可以選擇不同的無(wú)線通信技術(shù).本文所設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備間信息的傳輸，以完成對(duì)光源的控制.系統(tǒng)包含節(jié)點(diǎn)較多，要求網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、功耗低，因此選用ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì).

表1 通信技術(shù)比較

LED是一種新型的照明技術(shù)，是一種綠色光源，是利用半導(dǎo)體材料制作成的節(jié)能效率可達(dá)到70%以上的新型節(jié)能型光源.它具有低壓直流驅(qū)動(dòng)、外形尺寸靈活、結(jié)構(gòu)牢固、使用壽命長(zhǎng)、色彩豐富多樣等特點(diǎn).現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑物裝飾照明、室外景觀照明、標(biāo)識(shí)與指示照明、室內(nèi)空間展示照明、娛樂(lè)場(chǎng)所及舞臺(tái)照明、視頻屏幕等照明工程.

3 基于ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 基于ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能LED照明系統(tǒng)由控制層、傳輸層和執(zhí)行層組成(見圖1).

圖1 智能LED照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)控制層.該層為系統(tǒng)最高層，采用CC 2430自身帶有增強(qiáng)型8051處理芯片作為主控器，支持RS-232串口通信，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行控制.

(2)傳輸層.利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，確保執(zhí)行層與控制層的相互通信，保證控制層控制指令及執(zhí)行層采集信息的可靠傳輸.

(3)執(zhí)行層.根據(jù)ZigBee接收到的控制層控制指令執(zhí)行對(duì)環(huán)境光的照度采集，通過(guò)CC 2430內(nèi)部集成的增強(qiáng)型8051實(shí)現(xiàn)對(duì)照度信息的處理，完成對(duì)照明設(shè)備照明時(shí)間及亮度的調(diào)節(jié)控制.

3.2 基于ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型、樹型及網(wǎng)狀型.星型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于設(shè)置實(shí)現(xiàn)，但傳輸距離較近，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小;樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)容量及傳輸距離較大，且網(wǎng)絡(luò)健壯性較強(qiáng)，但動(dòng)態(tài)適應(yīng)性差;網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高級(jí)，但不利于降低功耗且組網(wǎng)復(fù)雜［4］.因?yàn)檎彰髟O(shè)備多在一段時(shí)間內(nèi)是固定的，需要網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性不是很強(qiáng)，同時(shí)考慮系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備以居家為單位的區(qū)域控制，選擇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在滿足系統(tǒng)通信需求的同時(shí)，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰(見圖2).此外，系統(tǒng)使用基于IEEE 802.15.4的ZigBee 2006協(xié)議棧作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用免費(fèi)的2.4 GHz到2.48535 GHz頻段進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì).

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

智能化照明的主要特點(diǎn)是可以利用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行多種模式控制，智能照明網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)百臺(tái)設(shè)備，讓用戶時(shí)刻掌握設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和功耗水平，并且能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和預(yù)警.智能的重點(diǎn)在于讓每個(gè)燈泡擁有獨(dú)一無(wú)二的IP地址，以便通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行控制，用戶可以通過(guò)搖控器、智能手機(jī)、平板電腦、PC或電視進(jìn)行單獨(dú)開關(guān)每個(gè)燈泡、調(diào)節(jié)光線的動(dòng)作.而基于ZigBee技術(shù)的智能照明系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，具有很好的靈活性和擴(kuò)展性，且二次投資經(jīng)濟(jì)合理，因此，智能照明系統(tǒng)具有極好的發(fā)展前景.

［1］國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)，科學(xué)技術(shù).中國(guó)節(jié)能政策大綱［EB/OL］.http://www.jcec.gov.cn/zcfg_read.asp?id=320/2005-06.

［2］龍承志，馬玉秋，沈樹群.低速率短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)［J］.ZigBee數(shù)據(jù)通信，2005(1):12-17.

［3］周怡顧，凌志浩，吳勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26(6):5-9.

［4］寧丙武，劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008(3):95-99.