结合ZigBee与MCU的无线照明控制方案

照明设备是人类日常生活中不可或缺的重要器具，因此，全球各国花在照明的总平均用电量相当可观，约占总电力消耗达11%，仅次于空调用电量。近来因国际能 源日益匮乏，环保意识抬头，寻求兼具省电和环保概念的新照明光源，以及改善用电效能的节能技术，已引起研发人员极大兴趣。

结合 ZigBee与微控制器(MCU)的无线节能照明控制系统，可利用无线光传感器进行自动调光或补光，并透过无线网关器、照度传感器与照明控制器，提供优异的灯具电源开关与亮度控制功能，进而达成用电最佳化的目标。
 
在新照明光源开发方面，20世纪后期先进国家积极发展的白光发光二极管(LED)，可望成为未来重要的绿能照明灯源。但LED在短时间内，仍无法全面取代 现有日光灯；因此，如何改善日光灯耗电量，并利用照明调控技术与灯具设计，提升照明效能，遂成业界努力目标。 

无线照明控制方案详解

为提升照明节能效益，产学界已在现有照明灯具控制方案中，新增8位工业级微控制器(MCU)、无线感测组件，打造一套无线节能照明控制系统(图1)。 
 

该系统利用数字模拟转换器(DAC)、霍尔电流侦测器、光照度传感器，实时时钟(RTC)模块、继电器开关、脉冲宽度调变(PWM)与调光型电子安定器， 制作荧光灯无线调光控制器、无线PWM调光控制器、无线照度传感器、无线灯光遥控器及无线网关器等五个照明节能装置，用于控制T5/T8荧光灯与LED灯泡。 

其中，荧光灯无线调光控制器(图2)透过调光型电子安定器与荧光灯具连接，以无线遥控方式开关与调变T5荧光灯管亮度，并透过I2C接口连接RTC时钟， 实现电源排程控制；另以ADC接口连接霍尔组件，则可藉电流侦测器监控灯具耗电状况。无线PWM调光控制器(图3)则透过DIO接脚送出的PWM讯号，调 控LED灯光亮度，并以I2C接口连接RTC时钟，进行灯光电源与亮度的排程控制。 
 
 

至于无线照度传感器可搭配电池和光照度传感器，独立安装在空间任意角落，传回环境光照度状态，提供照明监控系统做灯光调变与节能控制讯息使用；而无线灯光 遥控器配置电池、4×4键盘与液晶显示器(LCD)，让使用者输入控制指令或设定照明控制模式。无线网关器则配备RS-232、通用序列总线(USB) 与PC连接，再利用Protel软件工具完成印刷电路板(PCB)布局，协助PC端照明监控伺服主机，实现无线照明控制与电能管理工作。 

根据上述系统设计概念，可采用微控制器搭配XBee无线感测模块、霍尔组件电流侦测器、继电器开关组件制作智能电表(Smart Meter)；或进一步结合温照度传感器、ZigBee光感测组件与PC，建构具绿能与环境监控功能的ZigBee节能照明控制系统。其硬件架构分为两大 部分，首先是ZigBee环境监控、ZigBee无线智能电表等装置，接收环境感测数据后，经由PC运算，可将相关信息传回接收端进行智慧控制。第二部分 则是控制端的ZigBee遥控器，为确保调控功能，须选用具有烧录(ISP)、内建模拟数字转换器(ADC)及PWM驱动功能的单芯片。 
 

ZigBee无线电表的硬件电路包括微控制器、霍尔组件、电源插座配合继电器。内建微控制器透过PA5?PA7接脚连接XBee模块的发射器与接收 器；PA5(INT)外部中断接脚连接XBee的接收器，可利用中断方式立即处理XBee传来的串行接收讯号；同时，亦使用PB0-PB3接口连接霍尔元 件的ADC脚位，用来量测交流电流与电压。PC0-PC3四条线则连结继电器做输出节点，电路方块图如图4所示。