ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统

 摘要：设计了一种基于ZigBee无线自组网控制LED节能灯的控制系统。以TI公司的CC2530为主要硬件平台，利用ZigBee Pro协议栈组建了Mesh网络，在上位机上实现了LED灯亮度的调整和环境温度、电压的监控功能。使用PT4115作为驱动芯片，能耗低，达到了节能减排的效果。

　　关键词：自组网;ZigBee技术;无线数据传输;WSN;LED

　　引言

　   传统的照明系统大多采用有线连接，铺线麻烦，价格昂贵，不易扩展，安装复杂，不易移动维护，能量消耗大。针对传统照明的不足，可以采用无线数据传输来代替有线传输。ZigBee技术是一种新型的具有统一技术标准的无线通信技术，应用于短距离范围内的低速率传输，具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点，非常适合照明系统的使用。另外，可以利用现在IC行业的快速发展，使用高效低能的驱动技术来减少照明成本，从而达到节能减排的目的。本文介绍了一种利用ZigBee无线传感器网络技术对LED节能灯实现远程控制的方案，给出了详细的软硬件设计。

　　1 自组网控制系统及工作原理

　　为实现故障检测、温度检测、电压检测、亮度检测和控制以及故障报警等功能，自组网控制系统采用了图1所示的设计。

　　整个无线网络是由终端节点(ZigBee Endpoint，ZE)、路由(ZigBee Router，ZR)、和协调器(ZigBee Coordinator，ZC)3种设备构成。其中终端是简化功能设备(Reduced Function Device，RFD)，只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备(FuU Function Device，FFD)，既可以和路由和终端直接通信，也可以和协调器直接通信。协调器是PAN协调器(PANC)，负责一个PAN区域的网络建立及管理。协调器收集所有节点和路由的信息，通过RS232发给监控计算机来确定灯的亮度、环境温度、电池电量等。

　　工作原理：系统中每个终端、路由分别控制一盏灯，每个灯对应一个ID(终端或路由加入网络时由协调器自动分配)，各个节点和路由将传感器收集的数据通过无线发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口发送到监控计算机。如果LED灯出现故障，检测电路会产生报警信号，报警信号最终会发送到监控计算机，计算机会提示工作人员故障灯的ID，让维护更便利。另外终端的光敏传感器会收集光照的程度，然后由终端自动的调整光照的亮度。

　　终端也会将自身的供电电压传送到监控计算机，以防节点缺电而影响使用。

　　2 系统硬件设计

　　系统是由电源模块、无线传输模块(CC2530、温度检测、电压检测)、LED驱动模块、LED检测模块等组成，具体硬件电路逻辑结构如图2所示。其中电源模块是采用市面常用的ASM1117-5.0和ASM1117-3.3，原理简单易懂。下面主要介绍无线通信模块和LED驱动模块。

　　无线通信模块采用TI公司的CC2530模块，CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8 KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256(分别具有32/64/128/256 KB闪存)。CC 2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530优良的性能和具有代码预取功能的低功耗、8051微控制器内核、32/64/128 KB的系统内可编程闪存、8 KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力并且支持硬件调试，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。它的可编程输出功率高达4.5 dBm，并且只需极少的外接元件。硬件电路结构框图如图3所示，其中光控单元采用TPS851芯片，温控模块采用TC77。

　　LED驱动模块采用的芯片是PT4115。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输人电压范围从6～30 V，输出电流可调，最大可达1.2 A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十W的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3 V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。驱动原理图如图4所示。PT4115和电感L、电流采样电阻RS形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压、恒流LED控制器。VIN上电时，L和RS的初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器的输出为高，内部功率开关导通，SW的电位为低。电流通过L、RS、LED和内部功率开关从VIN流到地，电流上升的斜率由VIN、L和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN，当VIN-VCSN>115mV时，CS比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过L、RS、LED和肖特基二极管(D)，当VIN-VCSN<85 mV时，功率开关重新打开，这样使得在LED上的平均电流为I。I=(0.085+0.115)/(2×RS)=0.1/RS。

　　3 系统软件设计

        本文应用IAR Embedded Workbench开发环境，在TI ZStack-2.2.1-1.1.3协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用VC编写了上位机程序。系统软件主要包括协调器节点程序、路由和终端程序、上位机程序。ZStack提供了丰富的函数调用接口。

　　ZigBee网络中的协调器工作流程如图5所示，路由(涵盖终端)工作流程如图6所示。在ZigBee网络中，网络协调器具有建立网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络的功能。对于节点之间的通信有两种寻址方式，分别是通过64位IEEE地址和16位网络地址来寻找网络设备，当节点加入网络时候，协调器会自动给其分配唯一的16位网络地址。灯的无线控制系统要求能够对任意一盏灯进行亮度调节，因此人工分配64位IEEE地址给每个路灯，以便以后进行控制。另外配置ZigBee设备对象断点时候，网内的所有节点的ID和断点描述符必须相同，否则节点间不能通信。路由器和终端的工作流程相识，这里不作区分。

　　上位机能够为工作人员清楚地提供电压、温度、节点数目、节点地址等数据，实现远程无线控制，创作和谐的人机交互界面，如图7所示。工作人员能够在上位机上使用ID对灯亮暗程度进行远程控制。

　　4结语

　　经测试，在室内无障碍15 m左右距离，无遮挡物环境下速率能够达到2 50 kbps;室外空旷环境下30～1 00m距离，速率为40 kbps;300 m，速率为25 kbps。距离150 m时通信的误码率可小于2%。系统在发射状态下电流为25.7 mA，接收时为29.3mA，休眠状态下仅为2.5μA。本系统具有成本低、功耗低、实施简单、维护方便的特点，具有较高的参考价值。