陳萬(wàn)里,李偉,柴遠(yuǎn)波

(黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063)

智能無(wú)線LED照明系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳萬(wàn)里,李偉,柴遠(yuǎn)波

(黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063)

短距離無(wú)線通信技術(shù)是目前新興的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它的應(yīng)用有效地克服了傳統(tǒng)有線控制的弊端,使得系統(tǒng)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(guān)注,短距離無(wú)線通信技術(shù)也逐漸開(kāi)始應(yīng)用在相關(guān)領(lǐng)域。所以,針對(duì)于此,文中設(shè)計(jì)并完成了基于TI CC430系列和UCC28810的無(wú)線LED照明系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)證明該智能無(wú)線LED照明系統(tǒng)具有開(kāi)關(guān)記憶、明暗調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)和定時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。

LED；智能照明系統(tǒng)；TI CC430；UCC28810

照明系統(tǒng)與人民生活息息相關(guān),但目前絕大部分照明系統(tǒng)都是利用各類普通開(kāi)關(guān)對(duì)燈具進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉,燈光的亮度調(diào)節(jié)也是通過(guò)普通的調(diào)光開(kāi)光進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。每次進(jìn)行照明系統(tǒng)的操作須走到開(kāi)關(guān)處才能完成,且一個(gè)開(kāi)關(guān)一般只對(duì)應(yīng)一路燈具,導(dǎo)致需要安裝很多開(kāi)關(guān),因此非常有必要設(shè)計(jì)一種集調(diào)光和開(kāi)關(guān)一體的無(wú)線遙控發(fā)射接收裝置以提升照明系統(tǒng)的智能化。這將有效地克服傳統(tǒng)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(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

基于這種需求,文中設(shè)計(jì)了一種智能無(wú)線LED照明系統(tǒng),具有以下6種功能:1）集中控制和多點(diǎn)操作的功能；2）軟啟動(dòng)功能:開(kāi)燈時(shí),燈光由暗漸亮,關(guān)燈時(shí),燈光由亮漸暗。避免大電流沖擊,保護(hù)照明系統(tǒng),延長(zhǎng)使用壽命；3）燈光明暗調(diào)節(jié)功能:調(diào)節(jié)不同燈光的亮度,操作方便；4）全開(kāi)全關(guān)和記憶功能；5）定時(shí)控制功能；6）亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)采用了TI的CC430［1］無(wú)線通信平臺(tái),該平臺(tái)融合了基于16Bit的超低功耗MSP430內(nèi)核以及業(yè)界領(lǐng)先的不足1GHz的CC1101 RF收發(fā)器之上。完美的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的低功耗/高性能組合與前所未有的高集成度,帶來(lái)更為先進(jìn)的高選擇性與高阻塞性能,確保即使在噪聲環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)可靠通信。能夠充分利用其高達(dá)25 MHz的峰值執(zhí)行性能,且功耗僅為160 μA/MHz。

針對(duì)基于CC430的設(shè)備,TI提供了種類豐富的MSP430 MCU外設(shè)集,如12-Bit的ADC、LCD驅(qū)動(dòng)以及比較器等高性能數(shù)字與模擬外設(shè)。此外,還具有AES-128硬件安全模塊確保通信的安全性［1-2］。

無(wú)線LED照明系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。其中控制端部分設(shè)計(jì)為采用雙節(jié)AA電池供電的手持式遙控模塊,其基于CC430F6137,帶有段式LCD驅(qū)動(dòng),豐富的I/O口資源,以及能夠構(gòu)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(guò)在控制端CC430F6137的比較器B上構(gòu)建觸摸滑條與按鍵功能,對(duì)滑條的觸摸位置進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為PWM的占空比,通過(guò)雙邊的RF模塊發(fā)送/接收相應(yīng)的調(diào)制參數(shù),再由接收端CC430F5137產(chǎn)生調(diào)節(jié)LED燈亮度的PWM信號(hào),對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊UCC28810進(jìn)行調(diào)制［4］,如圖2所示。

圖1 智能無(wú)線LED照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 RF模塊硬件電路設(shè)計(jì)

CC430的射頻模塊使用的是業(yè)界領(lǐng)先的不足1GHz的CC1101 RF收發(fā)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(gè)完整芯片的LC-VCO和一個(gè)對(duì)接模式的混頻器進(jìn)行頻率合成。該射頻的接收單元將RF信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行前置放大,再對(duì)其中頻信號(hào)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)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(shè)計(jì)中使用的是433 MHz的載波頻率,鑒于應(yīng)用場(chǎng)合其要求的傳輸速率較低,因此選用的是3.2 Kbps；并通過(guò)PATABLE對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)整,滿足不同的距離需求。

RF模塊的硬件電路在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中尤為重要,如圖3所示。圖中的C5,C9,L3以及L8形成一個(gè)平衡轉(zhuǎn)換器,用以將CC430上的差分端口RF_N/RF_P平衡電路轉(zhuǎn)換成單端不平衡的RF信號(hào),方便將振子流過(guò)電纜屏蔽層外的高頻電流截?cái)?。圖中的L5,C10和L4構(gòu)成了帶通濾波器；L2,L6和C8構(gòu)成低通濾波器［6］。在本設(shè)計(jì)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(gòu)建

在本設(shè)計(jì)中,控制端部分為手持式遙控模塊。其設(shè)計(jì)的人機(jī)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(diào)節(jié)LED的亮度,是系統(tǒng)中較為形象與新穎的設(shè)計(jì)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(gòu)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(wǎng)絡(luò),因此無(wú)需像COMP_A那樣使用外部硬件方式實(shí)現(xiàn)參考電壓網(wǎng)絡(luò)［7］。其原理是主要通過(guò)TimerA測(cè)量RC振蕩電路在固定時(shí)間內(nèi)的振蕩次數(shù),當(dāng)人手觸摸在傳感電容上,會(huì)改變其自身電容值,使得對(duì)應(yīng)的振蕩次數(shù)發(fā)生明顯變化,以此來(lái)判斷觸摸/非觸摸的狀態(tài)。構(gòu)建一個(gè)4/5級(jí)觸摸滑條與2個(gè)觸摸按鍵。

2.3 傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

光敏傳感器的使用使得LED照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亮度自調(diào)節(jié)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(jià)格優(yōu)勢(shì),非常適合于光強(qiáng)檢測(cè)場(chǎng)合的使用［8］。系統(tǒng)中主要通過(guò)對(duì)Vo電壓的檢測(cè),反映光強(qiáng)的變化,進(jìn)而對(duì)PWM進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 RF模塊實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)系統(tǒng)中,RF模塊是通信傳輸?shù)臉蛄?雙邊都須進(jìn)行協(xié)議相同的RF軟件模塊設(shè)計(jì)。其發(fā)送模式和接收模式的數(shù)據(jù)包主要通過(guò)FIFO［9］來(lái)進(jìn)行處理,一幀的格式如下圖5所示。其中幀數(shù)據(jù)中包括前導(dǎo)碼、同步字、可選長(zhǎng)度位、可選地址位、數(shù)據(jù)段和可選CRC字。

圖5 數(shù)據(jù)幀格式Fig.5 Data frame format

在設(shè)計(jì)時(shí)采用固定幀長(zhǎng)度模式。通過(guò)對(duì)寄存器PKTLEN（=＜FIFO size）的設(shè)定。

在發(fā)送時(shí),在TX FIFO中的數(shù)據(jù)段包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,主機(jī)地址,從機(jī)地址,控制模式,控制PWM參數(shù),數(shù)據(jù)段CRC校驗(yàn)［10］。其中,主機(jī)地址標(biāo)識(shí)了控制端的地址；從機(jī)地址包括兩種地址:廣播地址與獨(dú)立地址,主要是用于集中控制與多點(diǎn)操作。控制模式提供了可選的模式選擇,控制PWM參數(shù)用于LED亮度調(diào)節(jié)［11］。

在接收時(shí),RF的解調(diào)器和數(shù)據(jù)包處理器將尋找一個(gè)有效的前導(dǎo)和同步字。當(dāng)找到后,解調(diào)器將獲得前導(dǎo)位和字同步,然后對(duì)接收的地址信息進(jìn)行比照,首先判斷數(shù)據(jù)包是否來(lái)自控制端,然后響應(yīng)含有廣播地址或者本機(jī)地址信息的數(shù)據(jù)。其發(fā)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(duì)射頻寄存器的配置過(guò)程中,主要通過(guò)SmartRFstudio來(lái)進(jìn)行設(shè)置,輸出RFRegSettng.c作為射頻的配置文件。

3.2 觸摸滑條的軟件設(shè)計(jì)

觸摸滑條是由多個(gè)觸摸按鍵組合而成,通過(guò)為每個(gè)觸摸按鍵分配多個(gè)位置,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的觸摸滑條功能。在設(shè)計(jì)通過(guò)4～5個(gè)按鍵構(gòu)成一個(gè)觸摸滑條,如在每個(gè)觸摸按鍵上創(chuàng)建8/16個(gè)位置,則可提供32/64個(gè)單獨(dú)步階檢測(cè)。其識(shí)別的步階數(shù)是對(duì)電容變化量的反映,電容變化幅度越大,測(cè)量的Δ值越大。通過(guò)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)能夠達(dá)到最大響應(yīng)的上限值,用該最大的Δ值除以每個(gè)按鍵所需的步階數(shù),再由每個(gè)按鍵經(jīng)過(guò)加權(quán)計(jì)算后將產(chǎn)生1～32/64步階的線性結(jié)果。

3.3 控制端/接收端軟件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì),在Stand By模式時(shí)保持MSP430的低功耗模式,以滿足控制端遙控器對(duì)能耗的要求。通過(guò)對(duì)模式選擇的操作實(shí)現(xiàn)集中控制和多點(diǎn)操作,而觸摸滑條的處理通過(guò)將Position轉(zhuǎn)換為PWM由RF發(fā)送至接收端CC430F5137［12］。接收端則處理來(lái)自控制端的數(shù)據(jù)包,對(duì)LED照明進(jìn)行亮度調(diào)節(jié),或自動(dòng)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě),整個(gè)程序包括的子模塊有:模式選擇模塊,觸摸滑條檢測(cè)模塊,數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊,PWM轉(zhuǎn)換模塊,傳感器檢測(cè)模塊等幾個(gè)部分［13］。

圖7 軟件流程圖Fig.7 The software flow chart

4 結(jié)論

文中研究并實(shí)現(xiàn)了以CC430為控制核心的無(wú)線LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟/硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試后實(shí)現(xiàn)了要求的功能。實(shí)測(cè)過(guò)程中能夠有效地進(jìn)行集中控制和多點(diǎn)單獨(dú)控制,定時(shí)控制,自動(dòng)調(diào)光等預(yù)設(shè)功能,滿足當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)此類解決方案的功能要求。

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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(hào)：201411053

河南省鄭州市“無(wú)線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(121PCXTD511)

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