基于LT8920的燈光亮度無(wú)線控制

文/陳琳

1 引言

現(xiàn)實(shí)生活中，會(huì)涉及到很多需要對(duì)燈光亮度控制的場(chǎng)合，比如說(shuō)在看電視或者聽音樂(lè)時(shí)候，需要微弱的燈光；在會(huì)客時(shí)需要明亮的燈光。而不同的燈光亮度可以帶來(lái)不同的氛圍感覺，有舒適寧?kù)o的，也有熱烈的。柔和的光線能帶來(lái)好心情，少而暗的光幫助思考，多而亮的光使氣氛更加熱烈。傳統(tǒng)的家居照明系統(tǒng)一般都是一對(duì)一開關(guān)控制，而且亮度調(diào)節(jié)較為單一。而現(xiàn)今的智能家居系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)新裝飾房屋、重新走線，以實(shí)現(xiàn)良好的效果。因此，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或者一對(duì)多的燈光亮度無(wú)線控制裝置，主控單元可以靈活配置在不同角落，燈具內(nèi)置控制器能接收信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼來(lái)點(diǎn)亮燈具，控制效果人性化，且此裝置不需要重新布線。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能是，開啟開關(guān)后，通過(guò)遙控器的按鍵控制實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)。因此在遙控器的按鍵設(shè)計(jì)上包含有房間號(hào)、模式切換、亮度增加、亮度減少的功能。用戶可根據(jù)自己的需要選擇不同亮度、不同色彩的燈光。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括2.4G射頻模塊、STM主控板、燈光亮度調(diào)節(jié)單元，及為各單元提供相應(yīng)的控制方法。在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，主要分為燈光端電路設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程控制端電路設(shè)計(jì)兩部分。而系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)自定義局域網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮度的控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所包含的硬件模塊有：兩塊STM嵌入式開發(fā)板（STM8S105C6）、兩塊射頻單元電路（LT8920）以及LED驅(qū)動(dòng)電路。主控板采用USB供電，燈光端采用220V電源供電。

3.1 控制板

圖1：系統(tǒng)框圖

控制板采用的微處理器是STM8S105C6。該芯片是基礎(chǔ)型的16MHz，8位單片機(jī)，適應(yīng)2.95V～5.5V的工作電壓，提供容量為16K～32K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器，集成真正的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此芯片內(nèi)核具有3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)。此外芯片還帶有同步時(shí)鐘輸出的UART、智能卡、LIN接口，SPI接口最高到8Mbit/s，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，16個(gè)高吸收電流輸出的I/O口等特點(diǎn)，可以滿足和LT8920無(wú)線模塊的通信需求和多路PWM輸出。

3.2 無(wú)線通信模塊

2.4G模塊有很多，如Wi-Fi，藍(lán)牙和無(wú)線鼠標(biāo)等都是采用2.4G，本文選用LT8920。它是一款低成本，高集成度的2.4GHZ的無(wú)線收發(fā)芯片。發(fā)射機(jī)支持功率可調(diào)，接收機(jī)采用數(shù)字?jǐn)U展通信機(jī)制，在復(fù)雜環(huán)境和強(qiáng)干擾條件下，可以達(dá)到優(yōu)良的收發(fā)性能，芯片的外圍電路簡(jiǎn)單，只需搭配MCU以及少數(shù)外圍被動(dòng)器件。此外，芯片還內(nèi)置了CRC，F(xiàn)ECauto-ack 和重傳機(jī)制，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并優(yōu)化性能。

3.3 LED驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)輸出不同占空比的PWM波即可實(shí)現(xiàn)LED燈光亮度的調(diào)節(jié)。本文選用PMOS管及其外圍電路組成LED驅(qū)動(dòng)電路，PMOS管的使用可以保證電流恒定輸出。通過(guò)主控板程序設(shè)定產(chǎn)生PWM波，觸摸面板調(diào)節(jié)占空比，從而調(diào)節(jié)PMOS管達(dá)到LED燈光亮度的調(diào)節(jié)。

4 網(wǎng)絡(luò)模型

4.1 節(jié)點(diǎn)模型

在本設(shè)計(jì)中，智能燈控網(wǎng)絡(luò)由遙控主節(jié)點(diǎn)、燈子節(jié)點(diǎn)和透?jìng)鞴?jié)點(diǎn)三種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以控制若干個(gè)燈節(jié)點(diǎn)或若干個(gè)透?jìng)鞴?jié)點(diǎn)。如果主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)位于同一個(gè)房間，相互間處于節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接通訊。如果主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)位于不同房間，空間距離較遠(yuǎn)，加上墻體的阻擋，不能保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可以全面覆蓋，因此在房間內(nèi)增加透?jìng)鞴?jié)點(diǎn)，類似于路由機(jī)制進(jìn)行通訊。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)情況靈活配置透?jìng)鞴?jié)點(diǎn)，避免整網(wǎng)出現(xiàn)類似于廣播現(xiàn)象。

4.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

本控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖中可以看出，本網(wǎng)絡(luò)可認(rèn)為是種樹型網(wǎng)絡(luò)或者星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)取決于遙控主節(jié)點(diǎn)所處的位置。

4.3 尋址原理

本設(shè)計(jì)中參考OSI模型，將節(jié)點(diǎn)分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)幀的同步，數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)幀傳送的格式為同步字6字節(jié)加負(fù)載數(shù)據(jù)加CRC校驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)層則傳遞源MAC地址、目的MAC地址以及透?jìng)鱉AC地址和負(fù)載數(shù)據(jù)等信息，實(shí)現(xiàn)路由功能。應(yīng)用層解析遙控器發(fā)出的按鍵號(hào)以及色彩、開關(guān)狀態(tài)、PWM占空比值、亮度值等參數(shù)信息。每一層均使用下一層提供的服務(wù)，完成本層的任務(wù)，并提供最支持給上一層。

由于本控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的MAC地址，而且在燈子節(jié)點(diǎn)，經(jīng)注冊(cè)記錄下遙控器主節(jié)點(diǎn)、MAC信息和按鍵號(hào)后，不再處于非主節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)MAC地址的唯一也保證了整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的唯一性。

5 軟件設(shè)計(jì)

本文軟件采用C語(yǔ)言編寫。整個(gè)程序包括的子模塊有：按鍵檢測(cè)處理、報(bào)文處理、通信協(xié)議處理。核心是報(bào)文處理。采用結(jié)構(gòu)體方式自定義報(bào)文格式，包含長(zhǎng)度、工作模式、源和目的物理地址、燈命令格式和命令號(hào)，并預(yù)留了下一級(jí)擴(kuò)展功能地址。在通信協(xié)議處理上，自定義通信協(xié)議的格式和算法校驗(yàn)，以從信號(hào)數(shù)據(jù)中獲取正確的數(shù)據(jù)包，完成抗干擾的無(wú)線通信協(xié)議。

主程序軟件設(shè)計(jì)包括主控板和燈光控制板兩部分。主控板的軟件設(shè)計(jì)包括觸摸面板檢測(cè)單元處理、通信協(xié)議處理、存儲(chǔ)燈控制板私有屬性信息；燈光控制板實(shí)現(xiàn)的任務(wù)主要是射頻參數(shù)配置，通信協(xié)議處理，PWM參數(shù)配置、電源控制處理等。主控板的程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

6 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

本文設(shè)計(jì)的基于LT8920的燈光亮度無(wú)線控制裝置，是基于智能家居的發(fā)展為背景，集合了STM模塊，LT8920模塊，及LED驅(qū)動(dòng)模塊。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多、多對(duì)一的燈光明暗亮度調(diào)節(jié)功能，可滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)不同場(chǎng)景燈光的使用。