基于GPRS和ZigBee的遠程分布式燈光控制系統

袁 佳，焦志曼，余建波，吳 斌，經 偉，許 堃

（1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072；2.同濟大學 機械與能源工程學院，上海201804；3.上海電機學院 商學院，上海201306）

0 引 言

傳統的照明控制系統采用有線連接，具有布線麻煩、增減設備需要重新布線、系統可擴展性差、系統安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點［1］。近年來，無線通信技術獲得了迅猛發展，其具有連接方便、組網靈活、功耗小、使用成本低等特點，是實現智能照明控制系統的理想選擇。文獻 ［2］針對城市燈光控制系統引起的耗能與節能問題，提出了一種基于GPRS 技術的遠程燈光控制系統；文獻［3］針對傳統照明系統布線麻煩、可擴展性差、節能效率低等缺點，開發了基于ZigBee無線傳感器網絡技術的智能照明系統；文獻 ［4］利用Zigbee無線自組網技術，設計出了基于Zigbee技術的LED 燈光無線智能控制系統。

此外，采用合理優化的控制結構也是節能減能的有效措施，分布式控制系統采用分級遞階的體系結構，能夠使整個系統在優化的操作條件下運行［5］。文獻 ［6］介紹了一種基于分散控制的智能燈光控制系統，該系統實現簡單、控制靈活可靠，可應用于各種戶外大型音樂燈光表演工程；文獻 ［7］根據智能燈光控制系統方便、簡單、靈活的發展要求，提出了一種基于無線及電力載波技術的分布式智能燈光控制系統。

針對現有照明控制系統存在的問題，本文開發了一種基于GPRS和ZigBee的LED 節能照明遠程分布式智能控制系統。該系統完全無需布線、擴展性強、使用能耗低、控制靈活方便、遠程控制安全可靠。智能控制終端通過組建ZigBee無線網絡實現對LED 燈具的分布式智能控制，同時將GPRS和Internet通信相結合［8］，通過與遠程控制中心PC計算機連接可接入互聯網實現遠程智能控制。

1 系統方案

本文提出的基于GPRS和ZigBee的LED節能照明遠程分布式智能控制系統架構如圖1所示，主要由遠程控制系統、GPRS／ZigBee通信傳輸系統、終端控制系統3個部分組成。

圖1 系統架構

遠程控制中心通過上位機軟件系統或者手機實現對LED 照明系統的遠程控制；GPRS／ZigBee通信系統主要由GPRS／232傳輸模塊、ZigBee協調器等組成，通過GPRS網絡和ZigBee無線網絡實現控制信號的遠程無線傳輸；終端控制系統主要由無線模塊、調光驅動模塊等組成，其中無線模塊是智能控制終端的核心，由其產生PWM 脈沖信號，控制調節LED 調光驅動模塊的開關頻率。

此系統采用GPRS和ZigBee無線組網方式實現LED 燈光遠程智能控制，可充分發揮GPRS 網絡［9］傳輸距離遠、傳輸速率快的優點和ZigBee技術［10］自動組網、時延短、容量大的特點，控制靈活方便、系統擴展性強，無需布線，免除設備移動的煩擾，大大降低了成本，很適合LED 遠程智能控制。

2 硬件系統

2.1 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊是整個系統穩定可靠控制的關鍵，通過它實現GPRS和RS232串口之間的數據遠程通訊，主要由MD251模塊、SIM SOCKET 模塊、RS232 串口模塊和電源模塊等構成，其中MD251 模塊又是其中的核心。MD251是訊研通公司開發的可編程GSM／GPRS 模塊，其設計電路如圖2所示，該模塊支持GPRS數據傳輸、SMS控制、AT 命令控制和UART 串口中斷，并且留出了SIM卡接口和一系列的外部接口，可以方便實現GPRS 到RS232數據傳輸。

2.2 ZigBee網絡模塊

ZigBee網絡模塊是整個系統的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591 功放芯片以及少量的外圍器件構成。CC2430芯片結合了一個工業級小巧高效的8051 控制器，在單個芯片上整合了ZigBee射頻 （RF）前端、內存和微控制器。但是CC2430芯片本身的通信距離十分有限，因此要增加一個功放芯片CC2591來加大節點的通信距離，減少通信延時和增加通信的穩定性。

ZigBee無線網絡［11］中包含設備終端控制節點、協調器節點 （與GPRS模塊相連）。A／D 轉換驅動電路以及其它應用電路與ZigBee模塊相連構成設備終端控制節點，實現LED燈具的亮度調節；協調器節點由一個ZigBee模塊和RS232接口組成，負責創建和管理網絡，接收遠程無線控制信號并傳向ZigBee網絡。各終端節點和協調器共同構成了系統的ZigBee網絡部分，其硬件結構如圖3所示，其中協調器節點沒有A／D 轉換驅動電路及LED 燈具接口，主要實現無線數據的雙向傳輸。

2.3 LED智能控制終端

LED 智能控制終端主要由電源穩壓模塊、ZigBee無線模塊和調光驅動模塊等組成，其硬件結構如圖4所示。Zig－Bee無線模塊是智能控制終端的核心，其不但實現數據的無線通信功能，同時也由其產生PWM 脈沖信號，控制調節LED 調光驅動模塊的開關頻率，實現調光。

圖2 MD251模塊設計電路

圖3 ZigBee節點硬件結構

圖4 燈光控制模塊硬件結構

調光驅動模塊采用恒流驅動模式，驅動電路如圖5所示，驅動芯片選擇Supertex公司的大功率LED 恒流驅動芯片HV9910B，其輸出電流恒定，適合應用于LED恒流驅動。MOS管選取性能良好的STD5NM50，最大耐壓達500 V，最大漏極電流7.5A，導通電阻小于0.8Ω。二極管選取快恢復二極管BYV26B，其反向耐壓達500V，正向平均電流1A，正向導通壓降1.2V。濾波電容CE1選擇10μF／35V的鉭電容，C3選擇47μF／35V的電解電容，C2選擇4.7μF無極性電容，電阻R1為22Ω，電阻R2為28KΩ，電阻值R3為0.36Ω，實驗結果表明，元件的選擇滿足電路設計要求。

3 軟件系統

3.1 ZigBee組網設計及實現

ZigBee主要支持3種網絡拓撲結構：星型結構、簇樹結構和網絡結構，其網絡拓撲如圖6所示。其中，協調器節點用來創建ZigBee網絡并進行網絡維護，監聽其它設備的入網請求并使其加入網絡，起著管理整個ZigBee無線網絡的作用；路由器節點完成數據包的轉發，保證ZigBee網絡數據快速高效穩定的傳輸，提高系統的數據傳輸效率；終端節點負責終端動作的執行，實現具體的控制功能，并返回相關數據。簇樹和網狀網絡結構較為復雜，星型網絡相對簡單，便于管理，建網容易，擴展方便，控制靈活，很適合應用于對LED 終端的控制，因此，我們選擇組建ZigBee星型網絡。

圖5 調光驅動模塊電路原理

圖6 ZigBee網絡結構

系統采用MSSTATE＿LRWPAN 協議棧組建ZigBee無線網絡，組網過程如下：首先協調器節點通過aplForm－Network（）建立ZigBee無線網絡，網絡建立成功后，進入無限循環運行apsFSM（）狀態機，監聽其它節點入網請求信息，其它節點發送入網請求后，通過aplJoinNetwork（）加入網絡，入網成功后運行apsFSM（）狀態機，通過APP＿STATE ＿RUN＿APPn執行應用程序。ZigBee協調器節點流程如圖7所示，ZigBee終端節點流程如圖8所示。

圖7 ZigBee協調器組網程序流程

3.2 系統控制軟件設計

系統控制軟件采用C＃語言編寫，通過GPRS和Internet兩種方式實現對LED 終端的遠程智能控制，其控制界面如圖9、圖10所示。

GPRS方式將GPRS 模塊和電腦相連，通過串口建立與GPRS模塊的通訊連接，將控制信息傳輸至GPRS網絡，包括端口設置、參數設置、終端綁定、實時控制等幾個部分。

Internet方式通過Socket技術建立與GPRS 模塊的通訊連接，包括通訊連接、終端遠程控制、日常維護、數據管理等模塊。控制界面能實時獲取每個遠程GPRS模塊對應的IP地址和端口號，用戶通過此界面向不同IP 地址下的智能控制終端發出燈光控制命令，可以集中控制所有智能終端，也可通過編號分別控制每個智能終端，靈活方便實現LED 終端的遠程智能控制。

圖8 ZigBee終端節點程序流程

圖9 GPRS遠程控制界面

圖10 LED 節能照明遠程智能控制系統

3.3 系統通信協議

遠程控制中心向智能終端節點發送包含控制命令的數據包，智能終端節點按照雙方約定的協議進行，從而執行相應的功能。數據包協議見表1。

數據頭：固定設置為FA，表示一幀數據的開始；

事件號：事件類別，0x01 表示普通控制消息，0xEE表示器件狀態消息；

上／下行：0x01表示上行，方向為：終端→協調器→控制器→上位機；0x00表示下行，方向為：上位機→控制器→協調器→終端；

長度：為源端點＋目的端點＋控制位＋功能位；

源端點：發送控制信息的端點；

目的端點：接收控制信息的端點；

控制位：0x00～0xFF，0x01代表燈管1，0x02代表燈管2，以此類推，0x00表示所有燈管，每個ZigBee無線網絡最多可同時控制255個燈管；

功能位：表示LED 燈具的具體調光命令，可實現256級無極調光 （0x00～0xFF）；

數據尾：固定設置為FD，表示一幀數據的結束，和數據頭一起作為數據傳輸的校驗碼，只有數據頭和數據尾都正確，接收的數據才為一幀有效數據。

4 實驗驗證

本實驗對開發的基于GPRS和ZigBee的LED 節能照明遠程智能分布式控制系統進行了驗證測試，主要包括GPRS通信網絡的建立、ZigBee無線網絡的的組建和各種調光功能的實現，可通過3種方式實現對LED 燈具的遠程控制：①直接通過手機發送控制信息；②PC 機和GPRS／232透傳模塊一起作為服務器，通過上位機軟件實現控制；③PC機接入Internet網絡，通過上位機實現控制。

遠程控制界面如圖9和圖10所示，系統測試實驗連接如圖11所示，測試系統包括1臺PC 機 （用作服務器）、1臺手機、2個GPRS通訊模塊 （Internet模式下只需1個）、1個ZigBee協調器、3個控制終端、3個LED 燈管。

表1 系統通信數據包協議

實驗主要對第③種控制方式進行測試，流程如下：

（1）建立GPRS通訊。首先用手機向GPRS模塊發送指令 “BND＝XXXXXXXX：139XXXXXXX＃”，將控制手機的手機號綁定到GPRS 模塊，綁定成功后，用手機向GPRS模塊發送綁定數據中心域名及端口號指令 “DNS＝XXXXXXXX：Domain.NameXXX，port?！保袵PRS 模塊綁定到遠程控制中心電腦，其中， “XXXXXXXX”為GPRS模塊操作密碼，“139XXXXXXX”為手機號。

（2）GPRS通信測試，在電腦和GPRS 模塊間進行雙向數據傳輸測試，確保數據傳輸準確無誤。

（3）LED 終端控制測試，控制界面如圖10所示。

圖11 系統測試實驗連接

控制不同按鍵LED 終端顯示不同效果，LED 燈具1亮度為10%，燈具2和3 亮度為100%的效果如圖11 所示，調光占空比分別為10%、50%、75%的PWM 波形如圖12所示。

圖12 調光占空比為 （a）10%，（b）50%，（c）75%的PWM 波形

測試結果表明，這種方式操作簡單，控制靈活，易于擴展，具有很強的應用價值，此外還可以通過手機直接控制，或者把PC機和GPRS／232透傳模塊一起作為服務器，通過上位機軟件實現控制，3 種控制方式優缺點對比見表2。

表2 3種控制方式優缺點對比

5 結束語

基于GPRS網絡傳輸距離遠、傳輸速率快的特點，以及ZigBee技術低功耗、短時延、大容量特點，本文開發了一種基于GPRS和ZigBee的LED 節能照明遠程分布式智能控制系統，滿足了LED 燈光控制系統智能化、節能化、網絡化等要求，實驗結果表明此系統靈活可靠、控制方便、易于擴展、易于實現。目前已實現以下功能：①PC 機與GPRS模塊間數據通信安全可靠，可通過PC 機直接向GPRS模塊發送控制信息；②ZigBee協調器和控制終端組建ZigBee無線網絡，控制靈活可靠；③可通過PC 機上位機控制軟件實現遠程燈具的開關控制以及亮度的調節；④可通過3 種不同方式實現燈具的遠程智能控制，控制靈活方便。

在此基礎上，今后的研究工作將從以下幾個方面深入下去：①組建更加復雜的ZigBee無線網絡，多協調器，協調器之間相互通信，終端加入ID 身份識別功能，非識別ID終端將不能加入ZigBee網絡；②實現更加復雜的調光功能，可以實現場景效果以及不同藝術效果的呈現；③Zig－Bee協調器與RS485之間數據透傳，從而通過RS485實現多燈具的分布式控制；④燈具使用過程中，可通過上位機軟件實時在線監測燈具的電壓值、電流值，方便燈具的日常維護。

［1］LI Zhiqiang，LIU Yifang，ZHANG Shengbing，et al.Application of ZigBee technology in LED intelligent lighting system［J］.Power Supply Technology and Applications，2012，15（4）：37－41 （in Chinese）.［李志強，劉義芳，張盛兵，等.無線網絡 （ZigBee）技術在LED智能照明系統中的應用 ［J］.電源技術應用，2012，15 （4）：37－41.］

［2］LI Aiping.The research and design of lighting remote control system based on GPRS ［D］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2007 （in Chinese）.［李愛平.基于GPRS的遠程燈光控制系統的研究與設計 ［D］.武漢：武漢理工大學，2007.］

［3］XU Yong，LUAN Xiaoming，WANG Dan.Design of intelligent lighting system based on ZigBee technology ［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2010，29 （1）：42－45（in Chinese）.［徐勇，欒曉明，王丹.基于ZigBee技術的智能照明系 統 設 計 ［J］.國 外 電 子 測 量 技 術，2010，29 （1）：42－45.］

［4］DONG Chao，SUN Jian，XIA Jiyuan，et al.Design and application of LED lighting controller based on ZigBee ［J］.Electronic Design Engineering，2012 （8）：113－115 （in Chinese）.［董超，孫劍，夏繼媛，等.基于ZigBee技術的LED燈光控制器的設計及應用 ［J］.電子設計工程，2012 （8）：113－115.］

［5］JIN Yuhong.The research on distributed intelligent lighting control system ［J］.Journal of Southwest University of Science and Technology，2013，28 （2）：84－87 （in Chinese）. ［靳 玉紅.分布式智能照明控制系統的研究 ［J］.西南科技大學學報，2013，28 （2）：84－87.］

［6］HAN Xinglian，LIN Jingdong，QIN Zengfeng.The control system for sound ＆light performance based on distributed control princike ［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008，19 （3）：67－70 （in Chihnese）. ［韓興連，林景棟，覃曾鋒.基于分散控制的智能燈光控制系統 ［J］.照明工程學報，2008，19 （3）：67－70.］

［7］SUN Zongzhi，WANG Tao.Summary and program study of intelligent lighting control system ［J］.Information Technology and Informatization，2010 （1）：53－55 （in Chinese）. ［孫 宗智，王濤.一種智能照明控制系統方案的研究 ［J］.信息技術與信息化，2010 （1）：53－55.］

［8］WU Yelan，HE Xiangfei，YE Bin.Wireless monitoring management system for water supply pipe network based on GPRS［J］.Computer Engineering and Design，2010，31 （1）：19－22（in Chinese）.［吳葉蘭，何向飛，葉斌.基于GPRS的供水管網無線監控管理系統 ［J］.計算機工程與設計，2010，31（1）：19－22.］

［9］ZHANG Yao，HAN Xueqin，XIA Yongquan.Remote UPS monitoring system based on GPRS ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31 （12）：2716－2719 （in Chinese）. ［張堯，韓雪琴，夏永泉.采用GPRS的遠程UPS設備監控系統［J］.計算機工程與設計，2010，31 （12）：2716－2719.］

［10］YAN Liping，SONG Kai.Design of embedded water quality monitoring system based on ZigBee and GPRS ［J］.Computer Engineering and Design，2011，32 （5）：1638－1641 （in Chinese）.［嚴麗平，宋凱.基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質監測系統設計 ［J］.計算機工程與設計，2011，32 （5）：1638－1641.］

［11］JI Qing，DUAN Peiyong，LI Lianfang，et al.Research and implementation of intelligent home based on ZigBee wireless sensor network ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （12）：364－367 （in Chinese）. ［紀晴，段培永，李連防，等.基于ZigBee 無線傳感器網絡的智能家居系統［J］.計算機工程與設計，2008，29 （12）：364－367.］