基于CC2530的ZigBee無線節能LED燈光調節系統設計

段五星 陳偉全

摘 要：針對傳統照明電路布線復雜，成本高，節能效率低的問題，提出LED燈光無線調節系統?；贑C2530芯片，設計了點對點Zigbee無線網絡拓撲結構的LED燈光遙控器和調節器；利用LM7805和LM7812組成的直流穩壓電源，完成了采用PWM方式控制的LED驅動器的設計；基于Z-stack協議棧，在IAR軟件平臺上完成了整個系統的無線串口通信、調試。試驗結果表明，該系統具有工作穩定性高，無線傳輸距離遠，調節效果好，實用性強的特點。

關鍵詞：CC2530；Zigbee；LED燈光調節；PWM

中圖分類號：TP276 文獻標識碼：A

ZigBee Wireless Energy-saving LED Light-regulating System Design

Based on CC2530

Duan Wuxing1 Chen Weiquan2

（1.Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College Zengcheng District，Guangzhou 511325，China ； 2.Huali College Guangdong University of Technology， Guangdong Guangzhou，511325， China）

Abstract： The traditional lighting circuit has problems of complex cabling， high cost， low energy-saving， so establish the LED light-regulating system. Firstly， design the LED light remote controller and regulator， which have a point-to-point wireless topological structure， based on CC2530， then using the direct current voltage-stabilized supply consisted of LM7805 and LM 7812 to complete the LED drive circuit with the PWM control method， at last， realize the wireless series communication and debugging on the IAR software platform based on Z-stack protocol stack. The tests represent that the system has a trait of stabilization， remote wireless communication， accurate regulation and practical function.

Key words： CC2530； ZigBee； LED； PWM

0 引言

隨著科技的進步，以及節能意識的增強，人們在日常生活中越來越注重節約能源，節約用電是其中重要的方面。最近幾年出現的LED具有效率高，壽命長等優勢，是下一代照明的主力軍。在家居，辦公室，醫院，汽車尾燈顯示燈等場合，LED的利用率越來越高，同時，隨著人們對節能化、健康化、藝術化和人性化需求的增多，對LED燈光調節要求越來越多。因此，利用高性價比芯片，設計相應嵌入式無線節能LED燈光調節系統具有很重要的現實意義[1]。

本文設計了一種采用CC2530芯片控制的ZigBee無線網絡的燈光調節系統，可以連續調節LED燈的亮度，并通過設計無線網絡，使系統便于控制，消除傳統綜合布線的線材費用，實現高效節能功效。

1 ZigBee技術及CC2530新特點

ZigBee技術是以IEEE802.15.4標準協議的基礎上迅速發展起來的雙向無線通信技術，具有低功耗、數據傳輸可靠、網絡容量大、工作頻段范圍廣的技術特點，在智能家居、樓宇自動化、傳感網絡及節能調光等方面得到廣泛應用[2]。

CC2530是TI公司針對2.4GHz ISM頻帶而推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4協議的片上集成芯片。集成了工業標準增強型8051MCU內核、高性能射頻收發器，在接受和發送模式下，電流消耗分別為24mA和29mA。其硬件具有設計簡單，封裝小，功耗低，無線傳輸穩定的特點，非常適合節能LED燈調節系統的控制要求[2]。

2 PWM燈光調節技術

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調制，是利用數字輸出來對模擬進行控制的一種非常有效的技術，通過高分辨率計數器的使用，改變PWM的占空比，調整LED燈的導通關閉時間，從而控制LED燈的亮度。圖1中A是一個占空比是10%的PWM的輸出，即在信號周期中，LED燈10%的時間導通，90%的時間關斷，B和C顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出，分別對應LED燈的亮度為額定亮度的10%，50%和90%。實際中為了保證LED燈在輪流導通關斷的過程中不閃光，要求調制頻率在1kHz到200kHz之間[3]。

3 系統總體結構設計

系統結構如圖2所示，整個系統包括協調器Coordinator、路由節點， LED驅動器和電源，其中Coordinator作為遙控器，負責向多個路由節點發送控制LED燈光調節信息，路由節點收到信息后，向各自對應的驅動器發送相應的亮度信號，驅動器在電源供電的情況下完成LED燈光調節。具體組成如下：

Coordinator由矩陣鍵盤和一片CC2530芯片構成，其中矩陣鍵盤用于控制系統的開關和調節LED燈的亮度，CC2530芯片主要充當發射器的功能。

路由節點由一片CC2530組成，一方面用于產生PWM信號以便對LED燈光強度進行控制，另一方面主要充當接受器的功能，接受發射器發送的信號，并將狀態通過無線通信反饋給遙控器。

驅動器主要由TP4115芯片和LED燈組成，其中TP4115主要作為驅動，提供LED驅動電流，并完成LED燈光的亮度調節。

4 系統硬件電路設計

4.1 電源電路設計

4.2 CC2530接口電路設計

作為協調器和路由節點核心硬件的CC2530，其不僅是控制消息收發的控制中心，還是外圍設備的管控中心。CC2530的接口電路根據其所屬節點在照明設備控制系統中角色的不同而異[4]。具體設計如下圖：RESET-N引腳作為協調器的服務信號引腳，RF-P、RF-N作為協調器射頻收發端口，負責消息的無線傳輸。協調器系統的主振蕩器則采用32MHz的晶振，晶體分別接X0SC-Q1與XOSC-Q2端口。

4.3 復位電路設計

該電路主要完成系統的上電復位和系統運行時用戶的按鍵復位功能，有助于用戶調試程序。復位電路的基本功能是系統上電時提供復位信號直至系統電源穩定后撤銷復位信號為可靠起見電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位[5]。復位電路如圖5所示。RESET_LN腳在CC2530芯片上的引腳號為 20，復位時活動到低電平。

上電復位的情況：通電瞬間電容可以當短路，所以RESET_LN腳為低電平。隨著時間的飛逝（電容充電），穩定后+5V的電壓實際上是加在電容C23上的。電容上極板也就是RESET_LN腳最終為高電平。這樣，引腳RESET_LN持續一段低電平后，最終穩定在高電平，低電平持續時間由RC時間常數決定。按鍵按下去就相當于上電那一瞬，讓電容短路。

5 系統軟件設計

5.1 平臺搭建

本系統中所用CC2530的內核采用增強型8051單片機，所以采用IAR Embedded Workbench for 8051開發環境，其中集合的高度優化的代碼編譯器、AVRIAR匯編器、連接定位器、項目管理器以及調試器，非常適用于基于CC2530和Z-Stack協議棧的軟件系統開發[6]。

5.2 軟件流程設計

系統功能的實現主要由硬件Coordinator和照明設備控制終端共同構建無線ZigBee網絡，完成消息的無線收發，具體通信過程如下：

當設備節點上電后首先檢查是否為協調器Coordinator，是則首先建立無線網絡，隨后進入偵聽監測狀態。當Coordinator檢測到有無線消息事件發生時，首先判斷消息類型，如果是加入網絡請求，則按照協議為此節點分配網絡地址；如果不是協調器節點，則先申請加入網絡，加入成功后進入時間檢測，否則繼續申請加入。如果是亮度調節信號，則根據設定的亮度值，進行PWM輸出。如果是關機信號，則停止輸出PWM信號，系統停止。軟件開發主要步驟流程圖如8所示。

6 控制系統測試

系統測試包含兩個方面：一是無線通信性能測試；二是開關及亮度調節測試。

6.1 無線通信性能測試

無線通信性能主要通過LQI值進行判別。LQI（Link Quality Indicator）即鏈路質量指示，表示收到數據包的強度和質量。LQI值的范圍在0到255之間，數值越大，通信質量越好，一般要求LQI在30以上。LQI值定義在AF.h文件中的結構體中，在終端節點接受到發送的信號時，隨狀態值一起發送到Coordinator，并通過串口助手進行查看。

通過多次測試，遙控器和調節器在1米通信距離且無阻擋的情況下，LQI維持在180，沒有信號延遲；遙控器和調節器相隔1堵墻或者60米以上時，鏈路質量在50左右，信號延時在100ms左右。能夠滿足該系統的實際需求。

6.2 LED燈亮度調節測試

7 結語

本文設計了一種基于CC2530的Zigbee節能LED燈管調節控制系統；針對市電220V電壓，設計了12V和5V的直流穩壓電源；整合復位電路，接口電路，天線電路，LED燈驅動電路，完成了硬件電路的連接；基于IAR軟件開發平臺，通過軟件流程設計，系統配置和編程，實現了遙控器和調節器的無線網絡連接，并成功完成對LED燈光調節。測試結果表明，該系統的無線通信性能良好，傳輸距離較遠，跨障礙能力較高，同時，良好的LED燈光調節效果，展示了較好的應用價值。

參考文獻

[1] 尚兆功，王升軍，高鵬，等. 基于無線網絡的地下車庫LED燈光導航系統[J].現代建筑電氣，2016（1：32-36）.

[2] Xin L. Design of ZigBee Network Node Based on CC2530[J]. Programmable Controller & Factory Automation， 2011（3）：034.

[3] 陳小龍，鄭煒超，朱春望. 基于CC2530的智能無線裝置設計[J]. 電子設計工程，2015，23（12）：133-135.

[4] 李秘，丁時棟，李貴柯，等.低成本LED智能照明系統的設計[J].電源技術，2016，40（1）：173-176.

[5] 宋艷霞.基于ZigBee的智能照明設備控制系統設計[D]. 太原：中北大學，2013.

[6] 李震. 基于ZigBee技術的大功率LED路燈監控系統的設計與實現[D]. 廣州：華南理工大學，2014

[7] QST青軟實訓.ZigBee技術開發：CC2530單片機原理及應用[M]. 北京：清華大學出版社，2015.6.

[8] 峰碩電子科技有限公司.無線控制職能路燈管理系統.2010.