基于Zigbee的LED亮度調節智能控制系統

摘 要：本系統是ZigBee技術的一個典型應用，它不但具備節能的特點，還克服了傳統照明控制系統管理落后、布線復雜及浪費能源等缺陷。不僅如此，它還可以工作于全自動狀態，根據室內場景變化自動切換照明模式，在滿足人們照明需求的同時，最大限度降低能源消耗。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；LED智能照明；節能

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-01

目前，大多數的建筑物仍然沿用著傳統的照明控制方式。傳統照明控制系統管理方式落后，控制方式單一，只有開和關兩種狀態，不僅容易造成能源浪費，也不能滿足人們對照明模式多樣的追求。例如，當人離開房間忘記關燈時，就會出現長明燈現象。因此，隨著社會的不斷發展，傳統照明控制系統越來越難以滿足人們的需求。在這樣的背景下，結合近來在國內發展迅猛的ZigBee及無線傳感器網絡技術，提出了一種新型的智能照明控制系統。該系統由若干網絡節點組成，各節點之間通過ZigBee協議進行通信。整個系統通過采集外界環境信息，根據這些信息自動切換和設置相應的照明模式，工作于全自動狀態。

一、系統架構

系統架構主要由光照采集電路，LED驅動調節電路，ZigBee網絡的組建與實現，自主控制系統四個方面構成。光線采集感應系統，采集室內和室外的光線，中央控制器進行數據處理和分析，并且控制燈的亮度。再者，ZigBee網絡協調器組建網絡成功后，將ZigBee終端設備加入網絡。光敏電阻對工作面上的光照強度進行光強采集，將采集的光強信號傳送給ZigBee終端設備，對檢測值和給定值進行對比。通過調節輸出的PWM波占空比，減少電流負載周期，即可調節自光LED的光強。

二、系統實現

光照采集電路。照度傳感器選用可見光照度傳感器。該傳感器是一個光電集成傳感器，內置雙敏感元接收器。其主要作用為釆集教室環境照度信號，并將該信號通過CC2530的I/O引腳送至數據處理單元。數據處理及驅動控制核心的Zigbee芯片CC2530-F128內部集成有ADC支持14位模/數轉換，不需要CPU的干涉即可通過DMA模式將轉換結果寫入內存控制器。通過對CC2530的16位定時器—TIMER1進行設置產生中心對齊PWM輸出。具體過程如下，首先通道輸出比較模式選擇5且選擇TIMER1為JB十數/倒計數模式；其次，將PWM信號的周期存入T1CC0中；最后，計算出PWM占空比，根據占空比的值調節輸出電壓的有效值，根據當前教師的光照值使真個光照環境趨于穩定。在實際的應用中，將兩個載有光敏傳感器的終端節點一個置于室外，一個置于室內拉上窗簾可以遮擋住的地方，對兩個光敏傳感器感測到的結果，選擇最為漆黑的值作為有效值。

LED驅動調節電路。高效的LED照明系統通常采用開關電源方案。用于驅動LED的開關電源方案有很多，非隔離式的包括Buck型、Boost型和Boost-Buck型等類型，它們的效率較高，多應用于功率較小和不需要輸入輸出級隔離的場合。對于亮度控制，采用的PWM調光的LED驅動器是在反激式LED驅動器基礎上實現的，主要由整流電路、APFC電路、隔離變壓器、輸出驅動電路、PWM調光電路和LED燈串構成。LED控制模塊包括繼電器模塊和調光模塊。繼電器模塊放大驅動能力，進而控制繼電器的閉合與斷開來實現對LED的開關。調光模塊可以控制LED路燈的亮度，而且每路都可以實現PWM調光。CC2530的芯片引腳輸出200Hz占空比可以從1%～100%的PWM，而且通過整流、穩壓，可以輸出0-12V的直流電，滿足各種電路的要求。同時，CC2530控制器將傳感器采集到的環境參數經路由節點傳送至協調器處理器與預先設定參數進行比對，并做出快速響應。

ZigBee網絡的組建與實現。CC2530為核心芯片用于各類ZigBee無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端設備等。CC2530內部集成了符合IEEE802.15.4標準協議的2.4GHz的RF無線收發電路，其具有高靈敏度無線接收能力和強抗干擾能力。網絡協調器和各子網路由器均為全功能設備，網絡協調器主要負責網絡的建立，協調整個網絡的正常運行。路由器主要起一個數據傳輸中繼作用，為了保證數據能順利經長距離傳輸后到達協調器。其它各終端控制節點模塊都為精簡功能設備，用于完成信息采集與各燈具的控制等，它們只能通過網絡中的路由器進行通信，有時也可與網絡協調器進行通信。當第一個全功能設備上電激活后，首先會進行所有物理層信道能量掃描，對已檢測到的有效信道按能量值進行排序并檢測存在的干擾。然后會再主動掃描一次，選擇一個最佳信道為當前工作信道。zigbee網絡建立后，其它所有節點均可作為子節點發送入網請求，尋找在自己通信范圍內的網絡成功后，該節點會根據獲取的網絡信息選擇一個父節點發送入網申請信號，并等待父節點允許其請求響應。父節點經過邏輯判斷后，若允許其加入，將發出請求響應信號通知子節點。在子節點收到請求響應信號后，父節點會以它的一個網絡地址作為其在在整個網絡中唯一的身份標識符，至此網絡組建成功且節點成功的加入網絡。

自主控制系統。房間自主控制子系統對應拓撲結構中的星型網絡。終端節點處于網絡的最下層，它們的主要作用是采集當前光線強度信息，將這些信息發給相應的路由節點；另一方面，終端節點根據路由節點的發來的信息來設置相應的房間照明模式。該網絡由一個路由節點和若干終端節點組成，各終端節點不能相互通信，只能與它對應的路由節點交互信息。協調器、路由節點采用CC2530F256芯片為MCU，外圍電路類似于終端節點，但無需各類繼電器模塊、傳感器模塊和led驅動器模塊，對復雜數據的綜合處理能力最強。協調器節點的通訊接口采用標準RS232，與單片機建立雙向通信，實現LED照明控制系統的集中一站式管理。LCD模塊實時的顯示出ZigBee無線傳感網絡的組網信息。

三、結束語

此基于Zigbee的LED亮度調節智能控制系統具有很強的擴展性，可以應用在教學樓中的每個房間，通過每個房間內的路由節點使整個教學樓的照明控制系統集成為一個傳感器網絡，有效的控制了資源的使用。

參考文獻：

[1]周嶺松，余春暄.基于ZigBee技術的溫?濕度控制系統[J].電子測量技術，2011（06）.