基于ZigBee的LED照明系統(tǒng)設(shè)計

南周羽，陳 強

（1.浙江省樂清市供電局，浙江 樂清 325600；2.浙江省樂清市公安局，浙江 樂清 325600）

1 引言

伴隨著電子技術(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，價格昂貴，不易擴展，安裝復(fù)雜，不易移動維護，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)是一種基于IEEE 802.15.4的物理層和媒體訪問層標(biāo)準(zhǔn)，與其他短距離無線協(xié)議相比，具有功耗低、可靠性高、復(fù)雜度低、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和運行費用較低等顯著優(yōu)點，非常適合在照明系統(tǒng)中應(yīng)用。本文提出了一個基于ZigBee的LED照明系統(tǒng)的設(shè)計方案，可以有效解決當(dāng)前照明系統(tǒng)智能化水平低、電能消耗大以及照明利用率低的問題，有著廣闊的應(yīng)用前景[1～3]。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信新技術(shù)，主要適用于數(shù)據(jù)吞吐量小、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小、網(wǎng)絡(luò)安全要求高、耗電低的場合[4]。

從技術(shù)性能來看，ZigBee具有如下特點：

（1）可靠。由于其物理層采用了擴頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾。MAC應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機制使節(jié)點發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。

（2）時延短。針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，一般時延只有15～30 ms。

（3）功耗低。低耗電模式下，2節(jié)5號電池可支持1個節(jié)點工作6至24個月，相比而言藍牙能工作數(shù)周，Wi-Fi只能工作數(shù)小時，這是ZigBee的突出優(yōu)勢。

（4）成本低。協(xié)議簡單，代碼量少，且不收專利費，每個芯片大概為兩美元。

（5）低速率。工作在20～250 kbps的較低速率，專注于低傳輸應(yīng)用。

（6）距離近。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后亦可增加到1～3 km。

（7）容量大。可支持高達65 000個節(jié)點。

（8）保密性好。采用64位出廠編號，支持AES-128加密。

（9）頻段靈活。使用的頻段分別為2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）及915 MHz（美國），而且均為免執(zhí)照頻段[5]。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該照明系統(tǒng)是由兩個部分組成的，有一個協(xié)調(diào)器和多個路由器或終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器在該系統(tǒng)里扮演命令的發(fā)送者和消息的收集者，它將來自電腦的命令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的路由器或終端設(shè)備，同時將接收到的從路由器或終端設(shè)備發(fā)來的消息傳輸給電腦。路由器或終端設(shè)備既是命令的執(zhí)行者，也是信息的采集者。他們可以根據(jù)命令執(zhí)行操作來控制LED，還可以檢測電壓、電流以及光亮度，并將得到的數(shù)值通過協(xié)調(diào)器上傳至電腦。協(xié)調(diào)器主要由CC2530模塊、串口模塊組成，路由器或終端設(shè)備主要由CC2530模塊、電源模塊、電壓電流檢測模塊、光亮度檢測模塊以及LED控制模塊組成。圖1是該系統(tǒng)的總體框圖。

3 硬件設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器主要由CC2530模塊、串口模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)是以CC2530為核心芯片設(shè)計的。CC2530是TI公司推出的用于嵌入式應(yīng)用的片上系統(tǒng)，是使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee和ZigBee RF4CE的一個片上系統(tǒng)解決方案。CC2530內(nèi)部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，擁有較大的Flash，其存儲容量多達256 kB，它是理想的ZigBee專業(yè)應(yīng)用芯片[6]。CC2530比他之前推出的CC2430有更大的Flash、更小的體積以及更低的功耗，而且擁有更大的最大發(fā)射功率和更好的靈敏度，使得它能夠傳輸更遠的距離。使用CC2530，兩個節(jié)點間的距離能夠達到100 m左右，再加上CC2591，可以傳輸1 ～2 km。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機連接的方式有多種，通常情況下是將協(xié)調(diào)器與PC機通過串口直接連接，進行數(shù)據(jù)通信。PC機可以通過串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制信息，同時協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集信息給PC機。由于CC2530使用的TTL電平以電平的高低來表示邏輯狀態(tài)，而串行通信中一般使用的RS-232通信協(xié)議用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)。二者的電平不同，需要外接接口進行電平匹配。CC2530工作在3.3 V的電壓下，所以這里采用的是Spiex公司的sp3232電平轉(zhuǎn)換芯片。sp3232的工作電壓為3～5.5 V。

3.2 路由器和終端設(shè)備

路由器跟終端設(shè)備的硬件一樣，只是在軟件上有沒有路由功能的區(qū)別。他們包括CC2530核心模塊、電源模塊、電壓電流檢測模塊、光亮度檢測模塊以及LED控制模塊。CC2530核心模塊跟上述是一樣的，在這里就不再重復(fù)。

為了給控制器供電，設(shè)計了一個兩路5 W輸出12 V的開關(guān)電源，其中一路經(jīng)HT7533穩(wěn)壓芯片后輸出3.3 V給CC2530供電，另一路給PWM調(diào)光模塊提供一個隔離的12 V電源。該電源將220 V的市電經(jīng)整流濾波后，用開關(guān)電源芯片TNY277PN逆變成高頻交流電，以TL431組成的相關(guān)電路作為基準(zhǔn)穩(wěn)壓源，與光耦LM817配合實現(xiàn)電壓的負反饋。

電壓電流檢測，在這里采用的是峰值檢波的方法。所謂峰值檢波，主要由二極管電路和電壓跟隨器組成，當(dāng)輸入電壓正半周時，二極管導(dǎo)通，對電容充電，當(dāng)輸入負半周時，二極管截止，電容既不充電也不放電，保持在之前的最大值。在該系統(tǒng)中先用電壓互感器、電流互感器將大信號轉(zhuǎn)換為小信號，再利用峰值檢波原理，將交流電轉(zhuǎn)換為其峰值，然后經(jīng)過CC2530的A/D轉(zhuǎn)換，得到線路的電壓、電流值。

光亮度測量中使用的傳感器是光敏電阻。選用的是JunYe公司的硫化鎘型光敏電阻JY5516。該光敏電阻靈敏度高、穩(wěn)定性高、光譜特性好、體積小、使用壽命長。設(shè)計如圖2所示。

VCEN為控制端，接至CC2530的I/O口，當(dāng)輸出為高電平，三極管Q1飽和導(dǎo)通，三極管上VCE的壓降約為0.3 V，此時R4與R5對VCC-VCE進行分壓。當(dāng)外界光強度變化時，A點電壓隨著變化，A1 IN接到CC2530的A/D引腳，A點光強度信號所對應(yīng)的特定電壓信號，經(jīng)R3與C14組成的消抖、低通濾波電路后送入CC2530，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。當(dāng)VCEN為低電平，三極管Q1截止，此時R4與R5中無電流流過，這樣可以起到適當(dāng)節(jié)能的目的。

圖2 光強度檢測電路

LED控制模塊包括繼電器模塊和調(diào)光模塊。繼電器模塊是利用三極管來放大驅(qū)動能力，從而控制繼電器的閉合與斷開來實現(xiàn)對LED的開關(guān)。調(diào)光模塊可以控制LED路燈的亮度，而且每路都可以實現(xiàn)PWM調(diào)光和可控硅調(diào)光。CC2530的芯片引腳輸出200 Hz占空比可以從1%～100%的PWM。經(jīng)過三極管的放大和光耦的隔離，從而在光耦的另一端得到一個200 Hz的PWM。而且通過整流、穩(wěn)壓，可以輸出0～12 V的直流電，滿足不同路燈的要求。

4 程序設(shè)計

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)[7]，考慮到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠縮短信息傳輸?shù)难舆t和提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性[8]，因此在該系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

協(xié)調(diào)器是命令的發(fā)送者和消息的收集者。它將來自電腦的命令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的路由器或終端設(shè)備，同時將接收到的從路由器或終端設(shè)備發(fā)來的消息傳輸給電腦。給協(xié)調(diào)器上電啟動以后，首先進行一系列的軟硬件初始化，然后再創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)，接下來就等待是否有電腦命令或者來自節(jié)點的消息。如果收到來自電腦的命令，將命令傳輸給相應(yīng)的節(jié)點；如果收到來自節(jié)點的消息，就將消息發(fā)給電腦。其流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器流程圖

路由器、終端設(shè)備不僅有控制功能，還有查詢與報警功能。路由器、終端設(shè)備在經(jīng)過一系列的初始化之后，便會搜索網(wǎng)絡(luò)并加入。在這之后對電壓、電流采樣，如果超過設(shè)定的閾值，就會發(fā)送報警消息到協(xié)調(diào)器。然后判斷是否開啟了感光功能，如果是，就會查詢當(dāng)前的光亮度，如果低于設(shè)定值就打開LED燈，高于設(shè)定值就關(guān)閉。如果沒有開啟感光功能，接下來會判斷是否有收到來自協(xié)調(diào)器的命令。如果收到協(xié)調(diào)器的開關(guān)命令，通過操作繼電器來打開或者關(guān)閉LED燈；如果收到的是調(diào)光命令，利用調(diào)光驅(qū)動來調(diào)節(jié)LED燈的亮度；當(dāng)收到的是查詢命令，可以根據(jù)需要把當(dāng)前的LED開關(guān)情況、調(diào)光值以及電壓電流值發(fā)送到協(xié)調(diào)器。如果沒有收到任何命令的話，就會重新采樣電壓、電流，如此一直循環(huán)。具體流程圖如圖4所示。

圖4 路由器、終端設(shè)備流程圖

為了使協(xié)調(diào)器與路由器或者終端設(shè)備能夠通訊，制定了自己的通訊協(xié)議，其中包括發(fā)送命令和返回命令，幀結(jié)構(gòu)如表1、表2所示。

表1 發(fā)送命令幀結(jié)構(gòu)

表2 返回命令幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)的各個部分含義如下：

(1)起始符：標(biāo)識一幀的開始；(2)目的識別：表示該命令是單播、組播還是廣播；(3)目的地址：目的控制器上CC2530的IEEE地址；(4)命令分類：區(qū)分命令的類型；(5)命令對象：表示命令的執(zhí)行對象是什么，比如繼電器、調(diào)光等；(6)動作類型：動作的類型，比如開、關(guān)；(7)動作要求：動作的具體值，比如調(diào)光的數(shù)值；(8)校驗碼：異或校驗；(9)結(jié)束符：標(biāo)識一幀的結(jié)束；(10)器件類型：發(fā)送返回命令的控制器的器件種類，如路由器、終端設(shè)備等；(11)源地址：發(fā)送返回命令的控制器上CC2530的IEEE地址；(12)數(shù)據(jù)內(nèi)容：等同于動作要求，是返回的具體值。

5 結(jié)論

文中根據(jù)實際需要完成了LED照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該控制器在提高照明系統(tǒng)的信息化、智能化程度的同時，還大大降低了電能的浪費，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，定會在智能交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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