基于ZigBee傳感網(wǎng)的農(nóng)業(yè)智能照明系統(tǒng)

盧明喬，陳曉

摘要：將LED技術和ZigBee技術相結合，設計了一種智能照明系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)照明。結果表明，系統(tǒng)能實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并報告故障，對LED燈進行實時控制，節(jié)約了電能。解決了農(nóng)業(yè)照明不同光色、光照度及照射時間等需求，提高了管理水平。

關鍵詞：ZigBee;LED驅(qū)動;PWM控制

中圖分類號：TP273+.5 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5858-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.060

ZigBee網(wǎng)絡屬于短距離的無線通信網(wǎng)絡，能適應復雜的網(wǎng)絡環(huán)境并快速方便地添加或重新配置網(wǎng)絡節(jié)點，形成短距離無線通信子網(wǎng)。節(jié)點布網(wǎng)成本低、靈活性和可擴展性強，適合組建短距離的無線傳感網(wǎng)。ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準，以星、樹、簇等拓撲方式實現(xiàn)了數(shù)千個微小的傳感器之間的協(xié)調(diào)溝通[1]。

隨著節(jié)能減排技術的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式LED智能照明系統(tǒng)的研究與設計具有重要的現(xiàn)實意義。不同的發(fā)光二級管P-N結構成的LED燈其發(fā)光顏色不同，此次介紹的農(nóng)業(yè)LED燈則根據(jù)不同農(nóng)作物的需要選取。LED燈的顏色由其本性決定，這里著重介紹LED燈驅(qū)動電源的設計及其驅(qū)動方式。

1 ?系統(tǒng)硬件選型及電路搭建

系統(tǒng)采用點對點控制方式、樹形組網(wǎng)[2]，以PC（Personnel Computer）基站式和手機移動式兩種方式控制WSN（Wireless Sensor Network）的各個節(jié)點，以PWM（Pulse Width Modulation）方式控制各個終端的發(fā)光亮度，通過光照度傳感器采集光照度信息以達到適應不同的外部光照環(huán)境來實時控制，有手動和自動控制兩種方式。系統(tǒng)硬件大致分為傳感網(wǎng)模塊和LED驅(qū)動電源模塊，軟件是上位機應用軟件。

1.1 ?節(jié)點設計方案

系統(tǒng)中各終端設備和路由設備采用相同設計，充當路由的設備完成信息轉發(fā)的中繼功能，由終端設備完成信息的采集和對LED驅(qū)動電源的控制。協(xié)調(diào)器設備完成網(wǎng)絡的發(fā)起和建立，并為各個節(jié)點分配LAN內(nèi)的短地址，以RS232串口和計算機互聯(lián)通信，完成對節(jié)點的控制和信息顯示。

系統(tǒng)的硬件要求控制芯片應滿足工業(yè)環(huán)境監(jiān)測要求的通信延遲、通信的可靠和能量損失小的要求[3]。通過ZigBee協(xié)議標準的編制，使用成本低、開放、低功率無線互連的國際標準的片上系統(tǒng)芯片CC2530為本系統(tǒng)的傳感節(jié)點。它能建立低功耗、大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡[4]。CC2530采用F256版本，具有256 kB的閃存。

根據(jù)CC2530芯片的內(nèi)部架構設計了射頻外圍組件，作為其信號收發(fā)前端，并將其安置到外圍電路上，組成一個能收集現(xiàn)場信息并能控制LED驅(qū)動芯片的終端節(jié)點。該節(jié)點上有溫濕度傳感器、光照度傳感器，節(jié)點將現(xiàn)場感知信息通過路由設備傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器設備，協(xié)調(diào)器根據(jù)設定的光照度閥值和現(xiàn)場光照度發(fā)送PWM控制命令，再通過終端節(jié)點完成對LED驅(qū)動電源PWM_D腳的控制。圖1是系統(tǒng)的射頻前端電路，圖2是節(jié)點模塊電路，圖3是協(xié)調(diào)器電路。

1.2 ?LED驅(qū)動電源設計

系統(tǒng)提供的LED驅(qū)動電源能滿足LED日光燈、球泡燈等LED燈的恒流驅(qū)動，能滿足高可靠性、高效率、高功率因數(shù)、浪涌保護及電磁兼容的要求。智能調(diào)光方式為根據(jù)對高功率LED驅(qū)動芯片HV9910的PWM_D腳輸入PWM信號來對MOS管進行開關控制來調(diào)光，最高輸入為300 kHz，以滿足LED燈不同亮度的要求。

電流輸出方式是根據(jù)控制MOS管的斷開時間來控制輸出電壓，終端節(jié)點輸出的PWM信號最大為300 kHz。試驗中所使用的LED燈設定的正常工作電流ILED為350 mA，紋波電流正常取ILED的30%。振蕩器的工頻可以用外部電阻接在HV9910芯片的ROSC端將其控制在25 k～300 kHz，頻率值計算方式為FOSC=25 000/（ROSC[k？贅]）[kHZ]。根據(jù)HM9910數(shù)據(jù)手冊，電感的計算方式為：正常整流后的電壓為 ? ? ?■VIN，因此開關占空比D=VLED/■VIN，則功率管的導通時間TON=D/FOSC，由這些必要的值求出電感大小為L=（VIN-VLED）TON/（0.3ILED）。

2 ?軟件設計流程

軟件設計部分分為協(xié)調(diào)器模塊（路由模塊）和終端模塊，協(xié)調(diào)器模塊負責網(wǎng)絡的發(fā)起和建立，并選擇優(yōu)先信道，建立好網(wǎng)絡后便充當一個路由設備與PC互聯(lián)，將終端感知的溫度、濕度和光照度等信息通過UART方式傳輸至PC控制軟件，在控制軟件上可以對各終端選擇控制，圖4是協(xié)調(diào)器的工作流程。

終端模塊先申請加入網(wǎng)絡，穩(wěn)定工作后實時將采集的現(xiàn)場信息傳輸給協(xié)調(diào)器，再根據(jù)協(xié)調(diào)器的命令對LED驅(qū)動電源發(fā)送PWM信號，以能夠?qū)崟r控制LED燈的亮度。圖5是終端的工作流程。

在控制方式上有兩種，一種是在上位機上直接操作，有手動和自動兩種方式可選。另一種方式是通過手機發(fā)送短消息給終端節(jié)點，以完成點對點控制，不過這種方式要求知道終端節(jié)點的節(jié)點號，不便于操作。表1是終端控制參數(shù)設置方式。

3 ?實測效果

系統(tǒng)中各節(jié)點采用樹形組網(wǎng)方式，將各個終端節(jié)點分布在照明現(xiàn)場，各終端LED燈色根據(jù)不同應用進行選取。終端及時地將現(xiàn)場信息采集至管理處，在PC終端可查看現(xiàn)場的溫度、濕度、光照度信息，系統(tǒng)有手動和自動兩種控制方式，控制人員根據(jù)現(xiàn)場采集的信息發(fā)送控制命令給每個終端，進行點對點控制，節(jié)省了人力和電力。圖6是部分LED燈PC端的控制信息。

4 ?小結

將ZigBee技術和LED應用相結合，設計出了一種應用于農(nóng)業(yè)大棚照明的智能系統(tǒng)，降低了能源消耗，提高了照明的可靠性，在照明方式和實時控制上能取得顯著的效果。ZigBee傳感網(wǎng)的建立在其節(jié)點的能耗上有一定的時限，并且在定位應用的精準度上有一定的困難，具體還有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 裴 ?新，虞慧群，范貴生.基于Zigbee技術的井下人員定位算法研究[J].計算機工程與應用，2014，50（15）：249-254，266.

[2] 苗世洪，諶小莉，劉 ?沛，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的配電線路故障定位方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（20）：61-66.

[3] 李勁松，楊 ?明，劉 ?曉.CC2430和ZigBee2006協(xié)議棧的通信模塊設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010，12（2）：26-29.

[4] cc2530.http：//baike.baidu.com/view/4935235.htm[EB/OL].2013-10-08.endprint