淺談基于Zigbee的LED照明控制研究

【摘 要】目前很多學(xué)校的照明設(shè)備可以統(tǒng)一控制其照明時(shí)間，但其不能控制照明亮度，尤其外界光強(qiáng)足夠強(qiáng)的時(shí)候，燈管的繼續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。學(xué)校整個(gè)照明系統(tǒng)開關(guān)控制是由人員實(shí)際按鍵操作，不能通過上位機(jī)操作；每棟樓開關(guān)控制都需要人來值守，無法做到統(tǒng)一監(jiān)視、規(guī)范管理。針對(duì)布線繁瑣、擴(kuò)展性差、功能單一、人工管理、“長(zhǎng)明燈”耗能嚴(yán)重等諸多缺陷，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代人旳生活品質(zhì)和節(jié)能減排低碳生活的需求，在此背景下智能照明系統(tǒng)變得十分必要。LED與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給照明系“網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化”的數(shù)字家園帶來了廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

本文主要針對(duì)學(xué)校教室內(nèi)的智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，控制對(duì)象釆用白光LED燈，并集成恒流驅(qū)動(dòng)與PWM脈沖調(diào)光技術(shù)，完成根據(jù)光強(qiáng)變化PWM線性調(diào)光。控制策略采用CC2530芯片與Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee2007協(xié)議棧，實(shí)時(shí)采集LED照明現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信， CC2530芯片邏輯判斷與智能分析后，實(shí)現(xiàn)根據(jù)光強(qiáng)變化智能調(diào)光等復(fù)雜功能。 PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示照明現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)（光強(qiáng)變化），對(duì)LED智能照明系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與管理。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 白光LED 智能 CC2530

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：

在室內(nèi)照明中，Zigbee無線通訊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以滿足系統(tǒng)的工作需要，2.4GHz無線頻段為其工作頻率，最多可以同時(shí)容納六萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)，控制范圍有一萬米之多。由于Zigbee具有自組織、低功耗和方便定位的優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)建無線傳感器和照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建方面都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

該照明系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分構(gòu)成，一個(gè)是協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器或是終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)送命令和收集消息，將來自電腦的命令通過zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端，同時(shí)接受消息傳給微機(jī)。路由或是終端設(shè)備根據(jù)指令控制LED燈組的明亮，還可以檢測(cè)電壓、電流和外界光強(qiáng)并把得到的數(shù)據(jù)傳給微機(jī)。協(xié)調(diào)器選用CC2530模塊和串口模塊組成。

ZigBee的組網(wǎng)方式與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)涉及的技術(shù)

（一）白光 LED 驅(qū)動(dòng)技術(shù)。LED 驅(qū)動(dòng)技術(shù)是 LED 照明應(yīng)用的一個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)，影響到照明電路的諸多性能，雖然目前各種 LED 照明驅(qū)動(dòng)電路層出不窮，但依然存在很多技術(shù)短板。白光 LED 驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)除了要達(dá)到普通 LED 要求外，還應(yīng)有高的功率轉(zhuǎn)換效率、與各白光 LED 電流相匹配、功耗要低、靜態(tài)電流小、便于其調(diào)光、有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、低壓鎖存、輸出開路或短路保護(hù)等各項(xiàng)要求。

（二）PWM 調(diào)光技術(shù)。本課題調(diào)光方式采用 PWM（脈沖寬度調(diào)制），我們采用定時(shí)器來模擬 PWM 信號(hào)。本設(shè)計(jì)中采用方波周期不變，而只改變占空比的方案來實(shí)現(xiàn)軟件 PWM。PWM 調(diào)光的原理是利用人們的視覺殘留效應(yīng)，當(dāng) LED 亮暗頻率大于 100Hz 時(shí)，人們就不會(huì)感覺到閃爍，而認(rèn)為燈是一直亮著的。

（三）照明信息采集技術(shù)。為了充分利用自然光來控制室內(nèi)亮燈的數(shù)量與亮度，達(dá)到更好的節(jié)能的效果，光照度傳感器在室內(nèi)合理的布置以檢測(cè)實(shí)際光照度很有必要。檢測(cè)室內(nèi)光照度需采用光照度傳感器，光照度傳感器采用光敏元件，將光照度轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。本課題采用光敏電阻5516，通過CC2530內(nèi)部的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸出。

（四）ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是基于 ZigBee 技術(shù)而構(gòu)建的一種低速短距離無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN），這種低速個(gè)人區(qū)域網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗低、安全可靠性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸靈活、組建網(wǎng)絡(luò)靈活且其擁有一個(gè)簡(jiǎn)單靈活的通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY），并在此基礎(chǔ)上定義了應(yīng)用層（APL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）以及用戶應(yīng)用框架（AF）。它是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的 75m 到幾百米、幾公里，且支持無限擴(kuò)展。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模塊節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸距離可無限擴(kuò)展。

三、硬件電路的組成

（一）LED 照明采用直流驅(qū)動(dòng)，屬電流驅(qū)動(dòng)器件。其亮度與正向電流成比例，一般采用兩種方法控制其正向電流。一種是據(jù) LED 伏安曲線的預(yù)期正向電流來確定所需外加電壓。驅(qū)動(dòng)電路一般采用一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)限流電阻的形式。由于 LED 的外加電壓波動(dòng)很小會(huì)使流過其電流急劇變化的特性，使這種控制方法有很多不足。另外，限流電阻的壓降與功耗會(huì)浪費(fèi)電能和減少電池使用壽命。另一種是用恒流電源來驅(qū)動(dòng) LED，這種方法解決了 LED 正向電壓變化導(dǎo)致電流急劇變化的問題，可維持 LED 亮度的恒定。

（二）Zigbee芯片是采用TI公司的CC2530，為了更完美地實(shí)現(xiàn)智能控制與無線通信的功能，結(jié)合CC2530綜合開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。Zigbee2006協(xié)議棧與CC2530相對(duì)應(yīng)，IAR7.50是其開發(fā)工具。在具體的實(shí)施過程中，想要更好的實(shí)施分布式控制電路，就得通過Zigbee各節(jié)點(diǎn)之間組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，全功能設(shè)備FFD一般都在每一個(gè)模塊中進(jìn)行配備，把設(shè)備類型設(shè)定為協(xié)調(diào)器或是路由器。每個(gè)協(xié)調(diào)器只在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，那么就得在啟動(dòng)之前對(duì)每個(gè)協(xié)調(diào)器進(jìn)行判斷，確定其存在后再用路由器的方式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)作業(yè)。

（三）PWM 調(diào)光控制方法。在 LED 照明應(yīng)用中都需進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，調(diào)光方式有模擬方式和 PWM 方式兩種。模擬方式不僅會(huì)出現(xiàn) LED 顏色偏移，還會(huì)影響 LED 照明燈具使用壽命，很少使用。PWM 調(diào)光是一種調(diào)節(jié)頻率大于 100Hz 數(shù)字電流信號(hào)的占空比來確定LED 光亮的方法，其設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能承受高達(dá) 50kHz 的 PWM 頻率。

Zigbee作為一種新興的短距離無線傳輸信息的載體，LED技術(shù)的發(fā)展也在不斷的完善，基于Zigbee的LED燈組節(jié)能控制系統(tǒng)必將呈現(xiàn)出巨大的科技含量和市場(chǎng)前景，在節(jié)能減排，低碳生活上也大有作為。

參考文獻(xiàn)：

[1]張周，周劍陽，閆沫.ZigBee在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006

[2]湯鎮(zhèn)輝、張正明，基于CC2530的Zigbee無線路燈節(jié)能智能監(jiān)控系統(tǒng)，微型機(jī)與應(yīng)用，2011

[3]李智華、周峰等，基于Zigbee的LED智能照明控制系統(tǒng)，現(xiàn)代建筑電氣.2013.4.6