以LED为代表的新一代绿色环保光源近年来逐步得到普及应用,人们对LED照明高效控制和功能多样化、个性化的要求也不断提高。如何能够根据用户需求营造特定场景对应的光环境,提高照明效率,减少能源浪费,是LED智能控制系统研究的重要内容。通信方式是LED智能控制系统的重要组成部分。目前已有利用DALI、C-Bus、DMX512、以太网等有线网络技术以及ZigBee、 GPRS等无线网络技术实现的传统光源或LED照明控制系统,然而,基于上述通信方式的LED控制系统在控制协议的开放性、数据传输可靠性、安全性、设备硬件成本、运营成本等方面均存在一定程度的不足。
RF4CE是2009年由ZigBee联盟与RF4CE联盟共同提出的面向家电领域的射频遥控标准,其目标是最终取代目前广泛使用的红外遥控技术。RF4CE是基于IEEE802.15.4物理层与MAC层构建的网络层和应用层协议,具有非视距传输、双向通信、超低功耗、互操作性好、采用免费ISM频段等优点,可作为家庭自动化和娱乐应用的重要无线通信平台。针对现有LED照明控制系统存在的不足,本项目依据RF4CE射频遥控标准,设计了一套交互性好、可靠性高、经济实用的LED智能照明系统,可通过对家居及公共场所LED照明系统的网络化调控,实现用户期望的各种照明环境,并达到节能降耗的效果。
LED照明调控系统由遥控器和大功率LED调光器组成,双方通过内置RF4CE协议的CC2530 ($3.5750)模块实现无线连接,图1所示是LED调控系统的设备结构图。用户利用遥控器按键输入控制指令,指令以符合RF4CE协议的数据包形式发送到调光器,调光器根据指令要求,结合当前工作状态,产生 R、G、B三组PWM输出,控制红、绿、蓝三种大功率LED照明灯的功率,形成所需的光强或色温效果。调光器中的EEPROM用于存储特殊照明效果对应的 PWM序列(即配方表)。
图2所示为遥控器主控电路的硬件原理图。该遥控器以STC89C52为主控制器,外设包括8个操作按键和1个状态指示灯。STC89C52 与CC2530模块采用串行连接。为节省电能,STC89C52和CC2530平时均处于休眠状态,8个按键中的任何一个被按下时,除了使P2口中对应口线表现为低电平,也通过对应二极管的导通产生外部中断,将单片机从休眠中唤醒,并立即发送按键对应的键值。CC2530则利用串口中断唤醒,及时将主控单片机发出的键值无线发送给LED调光器。
图3所示为CC2530模块的硬件原理图。图中的CC2530是TI公司推出的无线SoC芯片,片上集成有80C51微处理器、IEEE 802.15.4 RF收发器、大容量存储器和丰富的接口部件,通过加载ZigBee和RF4CE协议栈,可方便地实现基于两种协议的典型应用。CC2530仅需少量外围元件,其中,天线部分对无线通信性能的影响较大,故元件选择和PCB制版需严格遵守手册中的注意事项。
图4所示为调光器主控电路的硬件原理图。为产生独立的3路高频PWM,采用了单时钟周期的增强型51内核单片机STC12C5410AD,同样晶振条件下的工作速度比普通51单片机快8~12倍。STC12C5410AD与CC2530模块也采用串行连接。
3路PWM输出分别接到R、G、B 3个LED驱动器的PWM调光输入端。AT24C64($0.6015)为8KB串行EEPROM存储器,通过SCL、SDA与单片机的虚拟I2C接口相连,用于存储场景配方表。表1所列是场景配方表的存储结构。每张表包括起始和结尾标志,逻辑上以每种PWM组合所持续的时间(单位:s)为基本记录。
图所示为LED驱动电路的硬件结构。LT3756($3.5200)为新型大功率LED驱动芯片,输入电压6~100V,通过一个外部N沟道MOSFET,可以使用标称值为12V的输入驱动20个1A的白光LED,效率超过94%,频率范围为100kHz~1MHz。
本文了提出了一套LED智能照明系统的设计方案,本方案中所设计的智能照明系统将最新射频遥控技术RF4CE用于LED照明控制,从而克服了现有DALI、C-Bus等照明控制系统在开放性、可靠性、安全性、互操作性、设备及运行成本等方面存在的不足。经实测,本LED照明调控系统可实现所要求的各项功能,遥控距离不小于30m(开阔地),遥控器平均电流小于10μA,能以较高的性价比实现LED照明系统的智能调控,同时提高电能利用效率。