基于ZigBee無線調光的LED路燈控制系統設計

張斌杰+毛鵬+張世奇+張晨+丁宇華

摘 要：針對目前路燈能耗大、控制簡陋等諸多問題，文中設計了一種基于 ZigBee 無線調光的 LED 路燈控制系統，采用 LED 路燈代替傳統路燈。該路燈系統以 CC2530 芯片為核心控制部件，采用 2.4 GHz - IEEE 802.15.4 - ZigBee技術實現了控制中心和GPRS終端之間、GPRS終端與路燈之間及路燈與路燈之間的無線通信，通過改變 PWM 波的占空比來調節 LED 燈的亮度，顯著減少了能耗。

關鍵詞：無線調光；LED 路燈；ZigBee 技術；無線通信

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

隨著城市邊界的擴大與城鄉一體化的發展，公共路燈的數量激增，運營維護的支出較為龐大。為了提升公共路燈的節能性與智能化，本文提出一種基于 ZigBee 無線調光的LED路燈控制系統設計，以降低能耗與運營成本。

1 總體設計方案

基于 ZigBee 無線調光的LED路燈控制系統主要由位于控制中心的中央控制模塊和路燈系統組成。控制中心由多個控制終端組成，用于實時靈活地對整個系統進行調節和控制。路燈系統包括協調器模塊和路燈模塊。協調器模塊包括GPRS終端、 ZigBee 協調器節點；路燈模塊包括各ZigBee路由器節點以及120 W路燈驅動器。路燈系統用于接收來自中央控制模塊的指令進行路由轉發，實現對路燈的無線控制。根據程序設定或操作人員指令，系統通過運營商搭建的 GPRS 網絡，將信號發送至各 GPRS 模塊，并由其下轄的ZigBee網絡協調器節點發出PWM波占空比增加或減少指令。各路由器節點接收協調器或上級路由器的指令，根據指令增減 PWM 波占空比并輸出，通過 LED 驅動電路實現無線調光控制。同時路由器節點還可將指令傳輸給其他路由器節點。

2 硬件設計

2.1 中央控制模塊與GPRS模塊

中央控制模塊中的Web網頁端、手機App、PC端等平臺，將指令傳遞到控制中心。控制中心通過現有的基站，使用 GRPS 移動通信網絡將指令下發至路燈系統的 GPRS 模塊。 GPRS 模塊再將指令發送至其下轄的 ZigBee 網絡中。系統結構框圖如圖1所示。

2.2 CC2530 芯片及外圍電路

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的近距離無線組網通訊技術[1]。本設計路燈系統中的ZigBee協調器、路由器節點基于 CC2530 芯片搭建。CC2530是用于ZigBee 和RF4CE的一個真正的片上系統解決方案，其內部模塊大致分為中央處理器和存儲器模塊，時鐘和電源模塊，外設和無線通信模塊三類[2]。其集成化程度較高，能夠節約硬件成本，簡化布線工作，降低系統能耗，增強抗干擾能力，提高系統可靠性。

CC2530內嵌RF內核控制模擬無線模塊。當CC2530接收到無線信號時，首先經過低噪聲放大器進行放大，再通過數字邏輯單元濾波等，最后經過D/A變換，通過功率放大器傳輸到天線，將信號發送出去，完成數據的無線傳輸。

CC2530芯片內部系統的時鐘源既可以選擇16 MHz的RC振蕩器，也可以選擇32 MHz 的晶體振蕩器。但是，若需要運行RF收發器，則必須選擇高速且穩定的32 MHz的晶體振蕩器。

CC2530芯片為了實現低功耗的目標，提供了五種不同的運行模式，即主動模式，空閑模式，PM1，PM2和 PM3[3]。主動模式是完全功能的運行模式，而 PM3是用于獲得最低功耗的工作模式，所有的振蕩器都不運行。通過運行模式的調節，可以顯著降低功耗，符合節能的需求。

P0口可用作ADC輸入口，可通過軟件設置使用內部參考電壓。將其應用于本設計中，能夠對電壓、電流進行實時監測，保證及時發現、處理異常情況。CC2530及外圍電路如圖2所示。

2.3 供電電路

根據交流電220 V，50 Hz的準則及系統供電需求，供電模塊主要分為兩部分：一部分是AC-DC電路，另一個部分是DC-DC電路。

2.3.1 AC-DC 電路

AC-DC電路是將220 V的交流電先通過EMC濾波電路進行濾波，盡量消除輸入電壓中的諧波，再通過橋式整流電路將交流電整流為直流電。AC-DC供電產生電路如圖3所示。

2.3.2 DC-DC 電路

本系統需要兩種不同的直流電壓，3.3 V 給芯片CC2530供電，12 V給調光電路中的比較芯片LM2902等供電。因此，DC-DC模塊由兩個電路組成：一個將LLC振蕩電路產生的 35 V電壓降為12 V，另一個將 BUCK 電路產生的12 V電壓轉為3.3 V。

BUCK電路采用MP2459芯片及外圍電路構成，MP2459是一個降壓、內置功率MOSFET的開關型變換器[4]。BUCK降壓電路如圖4所示。

3.3 V降壓電路采用AMS1117-3.3芯片及外圍電路構成，是一個低漏失的三端線性穩壓器[5]，具有精度高、體積小、效率高等優點。3.3 V供電產生電路如圖5所示。

2.4 調光電路

本設計采用流控的方式來調節 LED 燈的亮度。CC2530定時器產生頻率為57 kHz可調占空比的PWM波，經兩個電容濾波后，輸入運算放大器正輸入端，經放大后輸出。由此實現芯片口3.3 V到12 V方波的轉換。此外電壓跟隨器用于隔離前級和后級電路，使得前級和后級電路之間互不影響、干擾，從而提高系統的穩定性和可靠性。調光電路的部分電路如圖6所示。

調光電路中的運算放大器選用LM2902 芯片，此芯片由4個獨立、高增益的運算放大器組成，專為在各種電壓范圍內的單電源供電。LM2902的應用包括傳感器放大器，直流放大器以及所有常規的運算放大器電路。endprint

3 系統軟件設計

軟件方面采用TI公司針對自身生產的 CC系列芯片設計的Z-Stack協議棧，該協議棧符合ZigBee-2006和ZigBee-2007規范[6]。用IarIdePm軟件及C語言編寫程序。根據該系統的功能設計要求，系統的程序主要包括無線數據傳輸程序、串口反饋程序、狀態監測程序和PWM波產生程序。此處主要介紹了無線數據傳輸程序和PWM波產生程序。

3.1 無線數據傳輸程序

當控制中心發來指令或終端設備有信息反饋時，調用無線數據傳輸程序完成數據傳遞。

在發送部分的程序設計中，定義了一個字符數組COCMD[7]來存儲指令，數組中包含設備識別符、目標設備ID、PWM大小/增減。發送的數據包括目的地址、端點地址、傳送模式、數據長度以及任務、ID等，其發送函數的源代碼如下：

void GenericApp_SendTheMessage（unsigned char *COCMD）

{

afAddrType_t my_DstAddr；

my_DstAddr.addrMode = （afAddrMode_t）AddrBroadcast；

my_DstAddr.endPoint = GENERICAPP_ENDPOINT；

my_DstAddr.addr.shortAddr = 0xFFFF；

AF_DataRequest（&my_DstAddr， &GenericApp_epDesc，

GENERICAPP_CLUSTERID，9，COCMD，

&GenericApp_TransID，AF_DISCV_ROUTE，AF_DEFAULT_RADIUS）；

}

接收端處理函數通過識別判讀消息來源與目的設備ID來確認消息是否發送給本端，再根據指令中的內容正確調整PWM波預設值，并存入value以調整亮度。接收端處理函數流程如圖7所示。部分源代碼如下：

Void GenericApp_MessageMSGCB

（afIncomingMSGPacket_t *pkt）

{

switch （pkt->clusterId）

{

case GENERICAPP_CLUSTERID：

osal_memcpy（COCMD， pkt->cmd.Data， 9）；

if （osal_memcmp（COCMD， "CO"， 2））

{if（（COCMD[6]=='F'&&COCMD[7]=='F'）||（COCMD[6]==Router_EndDeviceID1&&COCMD[7]==Router_EndDeviceID2））

{temp=（COCMD[3]-'0'）*10+（COCMD[4]-'0'）；

if（COCMD[5]=='U'） value+=temp；

if（COCMD[5]=='D'） value-=temp；

InitialT1（）；}}}}

3.2 PWM波產生程序

本調光系統利用CC2530的定時器1來生成PWM波，通過調整高電平和低電平的占空比來實現LED燈的調光。PWM波通過比較模式產生，其周期由T1CC0L和T1CC0H決定，輸出占空比由T1CC2L和T1CC2H決定。通過修改 T1CC2L值來改變PWM波的占空比。PWM波產生函數流程如圖8所示。定時器1控制產生PWM波的源代碼如下：

void InitialT1（void）

{

PERCFG |= 0x40； P2SEL &= ～0x10；

P2DIR |= 0xC0； P1DIR |= 0xff；

P1SEL |= 0x01； T1CC2H = 0x00；

T1CC2L = value；

T1CC0H = 0x00； T1CC0L = 0xff；

T1CCTL2 = 0x1c； T1CTL = 0x02；

}

4 實驗結果

圖9展示了系統硬件實物圖。協調器模塊包含有GPRS模塊及以CC2530芯片為核心的 ZigBee協調器；路燈模塊包含有以CC2530芯片為核心的ZigBee路由器與LED驅動電路。

5 結 語

本文設計了一種基于ZigBee無線調光的LED路燈控制系統。該系統在以ZigBee技術為基礎的前提下，結合GPRS模塊，合理有效地實現了控制中心對LED路燈的遠程無線調光，不僅節約了電能，更大大減少了成本投入，具有良好的應用價值。

參考文獻

[1] 陳煥，范鎧，汪正祥.ZigBee與其他短距離無線通信技術比較及其應用[J].信息技術，2015，39（5）：180-183.

[2] 王磊.基于藍牙4.0技術的防丟器的研究與設計[D].太原：太原理工大學，2013.

[3] 馮金龍.高速公路路面結冰檢測系統的研究[D].南京：南京信息工程大學，2011.

[4] 姜啟剛，張傳偉.基于MP2459的Buck電路[J].科技創新與應用，2017 （15）：81.

[5] 黃炯.嵌入式家庭防盜報警系統設計及CSMA/CA算法研究[D].南京：南京理工大學，2014.

[6] 呂芳芳，佟國香，譚健.基于CC2530的智能家居控制系統[J].信息技術，2014，38（6）：110-112.

[7] 劉春玲，王道乾，崔文沖，等.LED路燈自適應調光無線控制器[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2015，34（1）：97-101.

[8] 蘇楚怡，黃金旭，劉灼權，等.基于ZigBee的智能LED照明系統[J].物聯網技術，2017，7（7）：83-85，88.endprint