基于Zigbee技術(shù)的LED燈光控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

　　3） 網(wǎng)絡(luò)容量大：在同一個(gè)WPAN 上，可以存在65 536 個(gè)ZigBee 裝置，彼此可通過(guò)多重跳點(diǎn)的方式傳遞信息，而且具有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈功能。

　　4） 有效范圍大：有效范圍在10~75 m 之間，如果前置功放可以達(dá)到1 000 m 的通信距離。

　　5） 成本低：Zigbee 數(shù)據(jù)傳輸速率低， 協(xié)議簡(jiǎn)單且免收專(zhuān)利費(fèi)，所以降低成本。

　　1.2 Zigbee 無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)原理

　　在網(wǎng)絡(luò)層中，ZigBee 定義了3 種角色： 第一個(gè)是中央?yún)f(xié)調(diào)器（Coordinator），負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，以及分配網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)地置；第二個(gè)是路由器（Router），主要負(fù)責(zé)查找網(wǎng)絡(luò)、建立以及修復(fù)數(shù)據(jù)的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)，路由器可以與協(xié)調(diào)器通信，也可以與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，路由之間也可以進(jìn)行通信；第三個(gè)是終端節(jié)點(diǎn)（FFD），只能選擇加入已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以與路由器進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，不具備路由功能。通信圖解如圖1 所示。

圖1 通信圖解

　　工作原理：系統(tǒng)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)或路由器分別控制一盞燈或多盞燈，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)有單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)地址，手持控制終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送命令到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方法可分為兩種：類(lèi)比和脈沖寬度調(diào)變（PWM）。采用類(lèi)比調(diào)光技術(shù)時(shí)，只需將白光LED 的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%.這種方法的缺點(diǎn)是LED 光色會(huì)移動(dòng)，且需要類(lèi)比控制訊號(hào)，所以本系統(tǒng)采用PWM 調(diào)光技術(shù)。PWM 調(diào)光技術(shù)會(huì)提供完整電流給白光LED,但會(huì)減少電流負(fù)載周期，進(jìn)而達(dá)成調(diào)光的要求，例如要將亮度減半， 只需50%的負(fù)載周期提供完整電流。PWM 訊號(hào)頻率通常會(huì)超過(guò)100 Hz,確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)被眼睛察覺(jué)，PWM 頻率的最大值需視電源供應(yīng)的啟動(dòng)和反應(yīng)時(shí)間而定；為了得到最大彈性，同時(shí)讓整合更簡(jiǎn)單，白光LED 驅(qū)動(dòng)器最高應(yīng)能接受50 kHz 的PWM 頻率。

　　硬件系統(tǒng)是由LED 燈驅(qū)動(dòng)模塊、LED 電源驅(qū)動(dòng)模塊和Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等組成。硬件電路邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路邏輯框圖。

　　LED 燈驅(qū)動(dòng)部分采用PT4207 驅(qū)動(dòng)芯片，PT4207 是一款高壓降壓式LED 驅(qū)動(dòng)控制芯片， 用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆LED燈， 其輸入電壓范圍為20~450 V, 可以實(shí)現(xiàn)在85~265 VAC范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作，并保證系統(tǒng)的高效能。同時(shí)內(nèi)置的輸入電壓補(bǔ)償功能極大地改善了不同輸入電壓下LED 電流的穩(wěn)定性。PT4207 還具有負(fù)載短路保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等功能。其專(zhuān)用調(diào)光管腳可直接接受PWM 脈沖調(diào)光，將PWM 信號(hào)加到DIM 腳。PWM 信號(hào)低電平要小于0.35 V,高電平在2.5~5 V 之間， 為達(dá)到較好調(diào)光效果，PWM 信號(hào)脈沖頻率最好小于最低工作頻率的1%.簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3 所示。

圖3 PT4207 的驅(qū)動(dòng)原理圖。

　　Zigbee 無(wú)線(xiàn)通信模塊主要采用CC2530.CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能， 能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 具有32/64/128/256KB 四種不同的閃存版本，本系統(tǒng)采用的是256KB 閃存。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。本系統(tǒng)是通過(guò)改變PWM 輸出進(jìn)而改變燈光亮度，CC2530 的定時(shí)器1 是一個(gè)16 位定時(shí)器，具有定時(shí)器/PWM 功能。它有一個(gè)可編程的分頻器，一個(gè)16 位周期值，和五個(gè)各自可編程的計(jì)數(shù)器/捕獲通道，每個(gè)都有一個(gè)16 位比較值。一個(gè)16 位捕獲寄存器也用于記錄收到/發(fā)送一個(gè)幀開(kāi)始界定符的精確時(shí)間，或傳輸結(jié)束的精確時(shí)間， 還有一個(gè)16 位輸出比較寄存器可以在具體時(shí)間產(chǎn)生不同的選通命令（開(kāi)始RX,開(kāi)始TX,等等）到無(wú)線(xiàn)模塊。每個(gè)計(jì)數(shù)器捕獲通道可以用作一個(gè)PWM 輸出或捕獲輸入信號(hào)邊沿的時(shí)序。定時(shí)器2 是專(zhuān)門(mén)為支持IEEE802.15.4 MAC 或軟件中其他時(shí)槽的協(xié)議設(shè)計(jì)。定時(shí)器3 和定時(shí)器4 是8 位定時(shí)器，具有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM 功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作為Zigbee 開(kāi)發(fā)的IDE.在TI Z Stack 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC 編寫(xiě)上位機(jī)程序。

　　Z Stack 提供了豐富的調(diào)試函數(shù)調(diào)試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序。協(xié)調(diào)器是第一級(jí)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建好后會(huì)分配節(jié)點(diǎn)ID 地址，協(xié)調(diào)器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，如圖4 是協(xié)調(diào)器的工作流程圖。

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程圖。

　　以下擴(kuò)展到第2 級(jí)、第3 級(jí)甚至多級(jí)，只要在同一網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)器接收命令同時(shí)將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點(diǎn)，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)命令， 也可以通過(guò)路由器發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，由終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)命令。如圖5 是路由器（包含終端節(jié)點(diǎn)）工作流程圖。

圖5 路由器（包含終端節(jié)點(diǎn)）工作流程圖。

　　4 功能實(shí)現(xiàn)

　　控制終端是一手持遙控器，遙控器內(nèi)設(shè)置了無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)將遙控器加入網(wǎng)絡(luò)，遙控器會(huì)自動(dòng)識(shí)別每一節(jié)點(diǎn)的ID 地址，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)控制?？梢詫?duì)單個(gè)燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，即向單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到遙控器中，對(duì)這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的燈光控制。

　　5 結(jié)論。

　　通過(guò)Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光的無(wú)線(xiàn)控制，解決了家庭內(nèi)部網(wǎng)布線(xiàn)復(fù)雜、擴(kuò)展性差、價(jià)格高、功耗高和通信范圍存在盲區(qū)等問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)了家庭住宅或者辦公場(chǎng)所的無(wú)線(xiàn)通訊，所構(gòu)建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開(kāi)發(fā)方便，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，而且通過(guò)手持遙控器進(jìn)行控制給人們帶來(lái)了便利。由于國(guó)家大力推行使用LED 節(jié)能照明燈， 所以Zigbee 無(wú)線(xiàn)燈光控制方面具有廣闊的市場(chǎng)，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到智能家居中對(duì)家用電器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制， 甚至遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制。基于Zigbee 技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)， 其在物聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)展空間會(huì)很大，尤其是學(xué)校的宿舍，教學(xué)樓，圖書(shū)館或者食堂。