基于ZigBee的智能家居燈光控制系統的設計

熊 偉 王嶺娥 谷學靜

在燈光控制領域,人們已經不滿足于單純地提供亮度這一功能,而是面向系統控制方式的靈活和視覺上的美感發(fā)展。傳統的燈光系統已經不能滿足現代化的控制要求。智能家居燈光控制系統把控制方式、電子技術和網絡通信技術集成于一體,解決了傳統方式控制相對分散和無法有效管理等問題,而且有許多傳統方式無法達到的功能,比如場景設置以及與建筑物內其他智能系統的關聯調節(jié)等。

1 控制系統總體設計

在智能家居燈光控制系統中,受環(huán)境和成本等因素的限制,選用了成本低、功耗低和網絡容量大的ZigBee無線組網方式。控制系統由移動控制器和燈具控制終端組成,遵循統一的網絡協議,借助各種不同的“預設置”控制方式和控制元件,對不同時間不同環(huán)境的燈光亮度進行精確設置和合理管理。系統總體結構如圖1所示。

移動控制器是該系統的控制中心,負責維護系統網絡、處理事件以及存儲數據等任務,該節(jié)點包含有ZigBee射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統。各個燈具控制終端與相應燈具相連,放入墻體內,由控制電路與ZigBee射頻收發(fā)模塊組成。ZigBee無線網絡以星型拓撲結構構成,移動控制器作為網絡協調器,各燈具控制終端作為終端設備。用戶通過控制移動控制器可實現對各燈具的開關、調光等操作,可根據自身需要編輯場景,并可隨時選用自己預設好的場景。移動控制器還具備記憶功能,斷電后可自行恢復斷電前狀態(tài)。各燈具控制終端通過ZigBee網絡接收移動控制器發(fā)送過來的控制信息,經過控制電路控制燈具進行相應操作。

2 移動控制器硬件設計

根據實際應用的需求,移動控制器采用體積小、性能強、功耗低和可靠性高的嵌入式系統。系統硬件電路部分主要包括核心控制模塊、ZigBee通信模塊、RS-232通信模塊、USB通信模塊、顯示及觸摸屏模塊、電源模塊、JTAG接口7部分,具體如圖2所示。

2.1 ARM核心模塊

本系統采用三星公司S3C2440芯片作為處理器,它是RISC結構的32位微處理器[1]。同時,利用三星公司的K9F1208芯片作為Flash存儲芯片,主要用于存放嵌入式操作系統、應用程序或其他在系統掉電后需要保存的數據。利用兩片日本現代公司的HY57V561620 SDRAM芯片作為系統代碼的運行場所。

K9F1208 Nand-Flash芯片有64 M字節(jié)的存儲容量,可實現程序自動擦寫、頁程序、塊擦除、智能的讀/寫和擦除操作,一次可以讀/寫或者擦除4頁或者塊的內容,內部有命令寄存器,支持快速讀寫。S3C2440帶有Nand-Flash控制器,將二者連接即可。

Hynix公司的HY57V561620的容量是32 MB,單片數據寬度是16位的。為了增大數據吞吐能力,所以選取了兩片SDRAM構成32位地址寬度。兩片HY57V561620 SDRAM的數據線分別連接S3C2440數據線的低16位和高16位,地址線兩片復用。

2.2 ZigBee通信模塊電路設計

選用美國TI公司的CC2430射頻芯片來完成數據在ZigBee無線網絡中的發(fā)送與接收。S3C2440處理器通過SPI總線接口和射頻芯片CC2430通信。CC2430的SPI0通信接口SO,SI,SSn,SCLK對應S3C2440的SPI通信接口。通過這4條線,處理器可以對CC2430進行寫入或讀取配置信息,也可以收發(fā)數據。同時利用S3C2440的GPIO接口實現其余I/O口的控制與中斷采集。這些 I/O口包括CC2430的芯片電源管理、RESET控制、CCA(信道空閑)檢測、FIFOP中斷、FIFO檢測(用于判斷溢出)、SFD中斷[2]。

處理器采用主機模式,在接收和發(fā)送時,都要保證SSn上為低電頻;MOSI與M ISO分別是數據輸出和輸入的引腳。射頻芯片與處理器的接口連接如圖3所示。

2.3 其他模塊的設計

本系統的RS-232接口主要有兩個功能:1)實現在調試系統軟件時控制器與PC機的通信;2)與具有RS-232接口的設備進行通信。驅動芯片采用max3232芯片,擴展了一路四線RS-232接口。max3232芯片可完成TTL和EIA雙向電頻轉換。

USB通信模塊設置了一個主端口和從端口。通過主端口移動控制器可以和外圍USB設備進行通信。通過從端口移動控制器可以作為USB設備和主機進行通信。S3C2440內部集成了USB控制器,可以很容易接出USB端口。

顯示器以及觸摸屏的設計主要方便用戶查看處理數據。S3C2440內置LCD控制器,通過編程可支持多種類型的單色、黑白、彩色LCD,如STN,TFT等。由于不同尺寸的LCD所需電源不同,特別設計一個跳線(J2),用于選擇LCD輸入電壓。本設計選用NEC 256 K色3.5 in TFT真彩液晶屏,帶觸摸屏。S3C2440自帶LCD控制器,所以擴展起來很方便。

本系統中,共存在4種電壓等級:3.3 V,1.8 V,1.25 V和5 V。這4種電壓的產生方法是+5 V DC從外部直接引入,作為整個系統的總電源,一路直接供給作為工作電源,兩路分流到LM111的輸入端,分別輸出產生+3.3 V DC和+1.8 V DC,一路+3.3 V DC分流到MAX8860的輸入端,輸出產生+1.25 V DC。

JTAG(Joint Test Action Group)是 IEEE的標準規(guī)范,主要用于對系統進行仿真、調試。設置JTAG接口用于系統仿真、調試。標準的 JTAG接口是 4線:TMS,TCK,TDI和 TDO,分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。本系統中采用的是 10針JTAG接口。除了上面 4根線,還有 TRST,為測試復位輸入信號,可以用來使測試接口初始化。

3 燈具控制終端硬件設計

燈具控制終端主要功能在于接收移動控制器發(fā)出的指令,控制燈具工作,調整燈光亮度等。燈具控制終端和白熾燈串聯連接,當可控硅導通時,電流經過白熾燈,白熾燈發(fā)光;當可控硅關閉時,電流經過控制器的可控整流電路,為整個控制器供電。這樣,通過控制可控硅的觸發(fā)角,可以控制流過白熾燈的等效電流的大小,從而達到調整燈光亮度的功能。

為實現以上功能,我們選用CC2430芯片作為處理器。CC2430芯片的選用,既可以實現ZigBee通信,又可以控制燈具。

4 結語

本文成功地完成了對基于ZigBee的智能家居燈光控制系統的硬件設計。該系統的成功應用,不僅在節(jié)能方面具有非常好的效果,而且在很大程度上方便了人們的生活,提高了生活舒適度。

[1] Samsung Corporation.S3C2440A MicroProcessor User's Manual.www.samsung.com,2004.

[2] Chipcon AS.SmartRF CC2430 PRELIMINARY Datasheet(rev 1.01).http://www.21ic.com.