一种无线LED照明智能控制系统设计

陈万里，王丽霞，柴远波

（黄河科技学院，河南郑州450063）

摘要：随着LED照明的普及，绿色照明与智能家居日益受到广泛关注。结合短距离无线通信技术，提出并设计完成了基于TI CC430系列和UCC28810的无线LED照明智能控制系统，实验证明该无线LED照明智能控制系统具有开关记忆、明暗调节、软启动和定时控制等优点。

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关键词 ：LED；智能照明控制系统；TI CC430；UCC28810

中图分类号：TN86?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0055?04

收稿日期：2014?12?15

基金项目：河南省郑州市“无线与移动通信网络应用技术”科技创新团队（121PCXTD511）

0 引言

智能化照明是随计算机、传感器、通讯、网络与自动控制技术而发展起来的综合技术，正以惊人的速度向各个专业领域渗透。智能化是任何电子产品必然的发展方向之一。LED绿色智能照明控制技术的发展可以使照明更加省电、节能、使用更便捷，在需要的时间给需要的地方以最舒适和高效的照明，提升照明环境质量。智能化照明更是使照明进一步走向绿色和可持续发展的重要方向。基于这种需求，本文主要结合短距离无线通信技术，提出并设计完成了基于TI CC430 系列和UCC28810 的无线LED 照明智能控制系统。实验证明该无线LED 照明智能控制系统具有开关记忆、明暗调节、软启动和定时控制等优点；具备集中控制、多点操作、软启动、亮度调节、定时控制、全开关记忆等功能。

1 控制系统方案

本文设计采用了TI的CC430[1]无线通信平台，该平台融合了基于16 b 的超低功耗MSP430 内核以及业界领先的不足1 GHz的CC1101 RF 收发器之上。完美地结合实现了独特的低功耗/高性能组合与前所未有的高集成度，带来更为先进的高选择性与高阻塞性能，确保即使在噪声环境下也能实现可靠通信。能够充分利用其高达25 MHz 的峰值执行性能，且功耗仅为160 μA/MHz。针对基于CC430的设备，TI提供了种类丰富的MSP430 MCU 外设集，如12 b的ADC、LCD 驱动以及比较器等高性能数字与模拟外设。此外，还具有AES?128硬件安全模块确保通信的安全性[1?2]。

无线LED 照明系统的整体框图如图1 所示。其中控制端部分设计为采用双节AA 电池供电的手持式遥控模块，其基于CC430F6137，带有段式LCD 驱动，丰富的I/O口资源，以及能够构建触摸功能的比较器；而接收端则基于CC430F5137，其带有12 b的ADC以及多通道的PWM模块[3]。

通过在控制端CC430F6137的比较器B上构建触摸滑条与按键功能，对滑条的触摸位置进行检测并转换为PWM 的占空比，通过双边的RF 模块发送/接收相应的调制参数，再由接收端CC430F5137产生调节LED灯亮度的PWM 信号，对驱动模块UCC28810 进行调制[4]，如图2所示。

2 控制系统硬件电路

2.1 RF模块硬件电路设计

CC430的射频模块使用的是业界领先的不足1 GHz的CC1101 RF收发器[5]，该部分是基于RF 频率的直接合成，其射频合成器包括一个完整芯片的LC?VCO 和一个对接模式的混频器进行频率合成。该射频的接收单元将RF信号通过低噪声放大器（LNA）进行前置放大，再对其中频信号进行滤波、数据解调以及同步包等工作。CC430 支持的频率范围为：300~348 MHz，389~464 MHz，779~928 MHz；在本设计中使用的是433 MHz的载波频率，鉴于应用场合其要求的传输速率较低，因此选用的是3.2 Kb/s；并通过Patable 对输出功率进行调整，满足不同的距离需求。

RF 模块的硬件电路在整个系统设计中尤为重要，如图3所示。图中的C5，C9，L3以及L8形成一个平衡转换器，用以将CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡电路转换成单端不平衡的RF信号，方便将振子流过电缆屏蔽层外的高频电流截断。图中的L5，C10和L4构成了带通滤波器；L2，L6 和C8 构成低通滤波器[6]。在本设计中RF的天线采用的是鞭状天线或者陶瓷天线。

2.2 触摸硬件电路设计

在本设计中，控制端部分为手持式遥控模块，其设计的人机交互界面主要是LCD显示以及触摸按键。其中将触摸滑条的功能用于调节LED 的亮度，是系统中较为形象与新颖的设计之一。其充分利用了MSP430的自身资源特性，在CC430F6137集成的比较器COM_B以及PCB Layout的传感电容上，构建了基于弛张振荡方式（RO）的触摸按键功能，由于在COMP_B 中自带有REF参考电压配置网络，因此无需像COMP_A那样使用外部硬件方式实现参考电压网络[7]。其原理为主要通过TimerA测量RC振荡电路在固定时间内的振荡次数，当人手触摸在传感电容上，会改变其自身电容值，使得对应的振荡次数发生明显变化，以此来判断触摸/非触摸的状态，构建一个4 5 级触摸滑条与2个触摸按键。

2.3 传感电路设计

光敏传感器的使用使得LED照明系统能够实现亮度自调节功能，硬件电路如图4所示。光敏传感器使用的是光敏电阻，因其有着良好的光电特性以及价格优势，非常适合于光强检测场合的使用[8]。系统中主要通过对Vo电压的检测，反映光强的变化，进而对PWM进行相应的调制。

3 控制系统软件设计

3.1 RF模块实现

在整个系统中，RF模块是通信传输的桥梁，双边都须进行协议相同的RF软件模块设计。其发送模式和接收模式的数据包主要通过FIFO[9]来进行处理，1帧的格式如图5所示。其中帧数据中包括前导码、同步字、可选长度位、可选地址位、数据段和可选CRC字。

在发送时，TX FIFO 中的数据段包括数据长度、主机地址、从机地址、控制模式、控制PWM 参数、数据段CRC 校验[10]。其中，主机地址标识了控制端的地址；从机地址包括2种地址：广播地址与独立地址，主要是用于集中控制与多点操作。控制模式提供了可选的模式选择，控制PWM参数用于LED亮度调节[11]。在接收时，RF的解调器和数据包处理器将寻找一个有效的前导和同步字。当找到后，解调器将获得前导位和字同步，然后对接收的地址信息进行比照，首先判断数据包是否来自控制端，然后响应含有广播地址或者本机地址信息的数据，其发射/接收的流程图如图6所示。在对射频寄存器的配置过程中，主要通过SmartRFstudio进行设置，输出RFRegSettng.c作为射频的配置文件。

3.2 触摸滑条的软件设计

触摸滑条是由多个触摸按键组合而成，通过为每个触摸按键分配多个位置，可以实现简单的触摸滑条功能。在设计通过4~5个按键构成一个触摸滑条，如在每个触摸按键上创建8 16 个位置，则可提供32 64 个单独步阶检测。其识别的步阶数是对电容变化量的反映，电容变化幅度越大，测量的Δ值越大。通过设置一个系统能够达到最大响应的上限值，用该最大的Δ值除以每个按键所需的步阶数，再由每个按键经过加权计算后将产生1至32 64 步阶的线性结果，如图7所示。

3.3 收/发控制端软件设计

控制端/接收端软件的流程图如图8所示。

其中虚线上方为控制端CC430F6137的软件设计，在Stand By模式时保持MSP430的低功耗模式，以满足控制端遥控器对能耗的要求。通过对模式选择的操作实现集中控制和多点操作，而触摸滑条的处理通过将Posi?tion转换为PWM由RF发送至接收端CC430F5137[12]。接收端则处理来自控制端的数据包，对LED 照明进行亮度调节，或自动调节。本设计的软件采用C语言编写，整个程序包括的子模块有：模式选择模块、触摸滑条检测模块、数据发送/接收模块、PWM转换模块、传感器检测模块等几个部分[13]。系统实际硬件如图9所示。

4 结语

本文研究并实现了以CC430 为控制核心的无线LED照明系统的设计。整个系统经过软/硬件设计与调试使得功能得到实现。实测过程中能够有效地进行集中控制和多点单独控制，定时控制，自动调光等预设功能，满足当前市场对此类解决方案的功能要求。

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作者简介：陈万里（1981—），男，河南开封人，讲师，硕士研究生。主要研究方向为通信与电力电子技术。