ZigBee無線自組網(wǎng)的LED節(jié)能燈控制系統(tǒng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線自組網(wǎng)控制LED節(jié)能燈的控制系統(tǒng)。以TI公司的CC2530為主要硬件平臺，利用ZigBee Pro協(xié)議棧組建了Mesh網(wǎng)絡(luò)，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)了LED燈亮度的調(diào)整和環(huán)境溫度、電壓的監(jiān)控功能。使用PT4115作為驅(qū)動(dòng)芯片，能耗低，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。
關(guān)鍵詞：自組網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；無線數(shù)據(jù)傳輸；WSN；LED

引言
    伴隨電子技術(shù)與無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對生活水平的追求越來越高。智能化被人們所熟知，作為智能化之一的智能照明系統(tǒng)在未來照明領(lǐng)域中具有很好的發(fā)展前景。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)大多采用有線連接，鋪線麻煩，價(jià)格昂貴，不易擴(kuò)展，安裝復(fù)雜，不易移動(dòng)維護(hù)，能量消耗大。針對傳統(tǒng)照明的不足，可以采用無線數(shù)據(jù)傳輸來代替有線傳輸。ZigBee技術(shù)是一種新型的具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)的低速率傳輸，具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，非常適合照明系統(tǒng)的使用。另外，可以利用現(xiàn)在IC行業(yè)的快速發(fā)展，使用高效低能的驅(qū)動(dòng)技術(shù)來減少照明成本，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文介紹了一種利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對LED節(jié)能燈實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的方案，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 自組網(wǎng)控制系統(tǒng)及工作原理
    為實(shí)現(xiàn)故障檢測、溫度檢測、電壓檢測、亮度檢測和控制以及故障報(bào)警等功能，自組網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了圖1所示的設(shè)計(jì)。

     整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)是由終端節(jié)點(diǎn)(ZigBee Endpoint，ZE)、路由(ZigBee Router，ZR)、和協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)3種設(shè)備構(gòu)成。其中終端是簡化功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)，只能與路由或者協(xié)調(diào)器直接通信。路由是全功能設(shè)備(FuU Function Device，F(xiàn)FD)，既可以和路由和終端直接通信，也可以和協(xié)調(diào)器直接通信。協(xié)調(diào)器是PAN協(xié)調(diào)器(PANC)，負(fù)責(zé)一個(gè)PAN區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建立及管理。協(xié)調(diào)器收集所有節(jié)點(diǎn)和路由的信息，通過RS232發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)來確定燈的亮度、環(huán)境溫度、電池電量等。
    工作原理：系統(tǒng)中每個(gè)終端、路由分別控制一盞燈，每個(gè)燈對應(yīng)一個(gè)ID(終端或路由加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由協(xié)調(diào)器自動(dòng)分配)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和路由將傳感器收集的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。如果LED燈出現(xiàn)故障，檢測電路會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號，報(bào)警信號最終會(huì)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)會(huì)提示工作人員故障燈的ID，讓維護(hù)更便利。另外終端的光敏傳感器會(huì)收集光照的程度，然后由終端自動(dòng)的調(diào)整光照的亮度。
    終端也會(huì)將自身的供電電壓傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以防節(jié)點(diǎn)缺電而影響使用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)是由電源模塊、無線傳輸模塊(CC2530、溫度檢測、電壓檢測)、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED檢測模塊等組成，具體硬件電路邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中電源模塊是采用市面常用的ASM1117-5．0和ASM1117-3．3，原理簡單易懂。下面主要介紹無線通信模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊。

    無線通信模塊采用TI公司的CC2530模塊，CC2530是用于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有4種不同的閃存版本：CC2530F32／64／128／256(分別具有32／64／128／256 KB閃存)。CC 2530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。CC2530優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗、8051微控制器內(nèi)核、32／64／128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KBRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力并且支持硬件調(diào)試，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。它的可編程輸出功率高達(dá)4．5 dBm，并且只需極少的外接元件。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中光控單元采用TPS851芯片，溫控模塊采用TC77。

    LED驅(qū)動(dòng)模塊采用的芯片是PT4115。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。PT4115輸人電壓范圍從6～30 V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1．2 A。根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)數(shù)十W的LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0．3 V時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)原理圖如圖4所示。PT4115和電感L、電流采樣電阻RS形成一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的降壓、恒流LED控制器。VIN上電時(shí)，L和RS的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時(shí)候，CS比較器的輸出為高，內(nèi)部功率開關(guān)導(dǎo)通，SW的電位為低。電流通過L、RS、LED和內(nèi)部功率開關(guān)從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、L和LED壓降決定，在RS上產(chǎn)生一個(gè)壓差VCSN，當(dāng)VIN-VCSN>115mV時(shí)，CS比較器的輸出變低，內(nèi)部功率開關(guān)關(guān)斷，電流以另一個(gè)斜率流過L、RS、LED和肖特基二極管(D)，當(dāng)VIN-VCSN<85 mV時(shí)，功率開關(guān)重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為I。I=(0．085+0．115)／(2×RS)=0．1／RS。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文應(yīng)用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，在TI ZStack-2．2．1-1．1．3協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC編寫了上位機(jī)程序。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由和終端程序、上位機(jī)程序。ZStack提供了豐富的函數(shù)調(diào)用接口。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器工作流程如圖5所示，路由(涵蓋終端)工作流程如圖6所示。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層／應(yīng)用層的連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。對于節(jié)點(diǎn)之間的通信有兩種尋址方式，分別是通過64位IEEE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址來尋找網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)候，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)給其分配唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。燈的無線控制系統(tǒng)要求能夠?qū)θ我庖槐K燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，因此人工分配64位IEEE地址給每個(gè)路燈，以便以后進(jìn)行控制。另外配置ZigBee設(shè)備對象斷點(diǎn)時(shí)候，網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的ID和斷點(diǎn)描述符必須相同，否則節(jié)點(diǎn)間不能通信。路由器和終端的工作流程相識，這里不作區(qū)分。

    上位機(jī)能夠?yàn)楣ぷ魅藛T清楚地提供電壓、溫度、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)地址等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制，創(chuàng)作和諧的人機(jī)交互界面，如圖7所示。工作人員能夠在上位機(jī)上使用ID對燈亮暗程度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

結(jié)語
    經(jīng)測試，在室內(nèi)無障礙15 m左右距離，無遮擋物環(huán)境下速率能夠達(dá)到2 50 kbps；室外空曠環(huán)境下30～1 00m距離，速率為40 kbps；300 m，速率為25 kbps。距離150 m時(shí)通信的誤碼率可小于2％。系統(tǒng)在發(fā)射狀態(tài)下電流為25．7 mA，接收時(shí)為29．3mA，休眠狀態(tài)下僅為2．5μA。系統(tǒng)將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)用于節(jié)能燈控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，省掉系統(tǒng)布線，使傳感器安裝快捷、組網(wǎng)容易、維護(hù)方便、成本低，運(yùn)用CC2530新型單片機(jī)控制，可提高傳感器的靈敏度和可靠性。本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、實(shí)施簡單、維護(hù)方便的特點(diǎn)，具有較高的參考價(jià)值。