摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)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(tái),，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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；WSN,；LED
引言
伴隨電子技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,，人們對(duì)生活水平的追求越來(lái)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(lái)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(duì)傳統(tǒng)照明的不足,，可以采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸來(lái)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(wú)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(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)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(cè),、溫度檢測(cè),、電壓檢測(cè)、亮度檢測(cè)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(wú)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(jiǎn)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(guò)RS232發(fā)給監(jiān)控計(jì)算機(jī)來(lái)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(duì)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(guò)無(wú)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(guò)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(cè)電路會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)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(wú)線傳輸模塊(CC2530,、溫度檢測(cè),、電壓檢測(cè))、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED檢測(cè)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(jiǎn)單易懂,。下面主要介紹無(wú)線通信模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊,。
無(wú)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(kāi)關(guān),，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流,，并通過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通,，SW的電位為低,。電流通過(guò)L、RS,、LED和內(nèi)部功率開(kāi)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(kāi)關(guān)關(guān)斷,，電流以另一個(gè)斜率流過(guò)L、RS,、LED和肖特基二極管(D),，當(dāng)VIN-VCSN<85 mV時(shí)，功率開(kāi)關(guān)重新打開(kāi),，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(kāi)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(xiě)了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC編寫(xiě)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(duì)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(kāi)網(wǎng)絡(luò)的功能。對(duì)于節(jié)點(diǎn)之間的通信有兩種尋址方式,，分別是通過(guò)64位IEEE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)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(wú)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(duì)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(shí),，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(wú)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(duì)燈亮暗程度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。
結(jié)語(yǔ)
經(jīng)測(cè)試，在室內(nèi)無(wú)障礙15 m左右距離,，無(wú)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(wú)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(jiǎn)單,、維護(hù)方便的特點(diǎn)，具有較高的參考價(jià)值,。