基于ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)

蘇楚怡++黃金旭++劉灼權(quán)++孫魯

摘 要：傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在布線復雜、節(jié)能效果差、不易智能控制等缺點，文中介紹了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的智能LED照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備可組網(wǎng)控制、上報環(huán)境亮度、自動調(diào)節(jié)亮度等功能。系統(tǒng)以CC2530作為主控芯片，結(jié)合TI推出的Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)各照明節(jié)點的無線組網(wǎng)，并根據(jù)測量的環(huán)境照度進行亮度自動調(diào)節(jié)，具有易于控制、布線簡單、節(jié)約能源等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：LED照明；組網(wǎng)控制；亮度調(diào)節(jié)；節(jié)能

中圖分類號：TP212；TM923 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，照明技術(shù)開始進行智能化改造。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要的組成部分，為智能照明的實現(xiàn)提供了可能。以往的聲控、光控雖然為照明提供了自動控制技術(shù)，但卻未實現(xiàn)真正的智能照明?，F(xiàn)代智能照明讓照明設(shè)備的管理和使用無線化，擺脫開關(guān)、電線的局限。這種新的照明控制理念決定了無線通信技術(shù)在智能照明中的重要性。

目前，LED照明已逐漸成為主流、成熟的照明方式，然而在智能技術(shù)與LED照明技術(shù)融合方面還存在許多未被開發(fā)的領(lǐng)域，因此，對LED領(lǐng)域的智能技術(shù)開發(fā)勢必引領(lǐng)LED照明技術(shù)走向更具有經(jīng)濟效益與實用價值的未來。

為了改進傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在的布線復雜、節(jié)能效果差、不易智能控制等缺點，我們設(shè)計了一個基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)，利用高可靠性的LED光源，配合具備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能LED照明系統(tǒng)，將照明功能與監(jiān)控功能合二為一，并為下一步擴展更多的監(jiān)控功能留下空間，這不僅符合智能制造的趨勢，更響應了國家節(jié)能減排的要求。通過智能控制提升產(chǎn)品的附加價值，如自動調(diào)光，定時控制，情景照明等，能很大程度上節(jié)約能源并提升用戶的使用體驗。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復雜度的雙向無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低、傳輸速率不高的電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，且具有低功耗、低成本、大容量、短時延、高可靠性以及靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等特點[1]。從技術(shù)性能來看，ZigBee具有低功耗、短延時、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點與廉價的市場定位，非常適合應用在照明系統(tǒng)中。ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)包含三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

（1）星型拓撲結(jié)構(gòu)包含一個協(xié)調(diào)器和多個終端，沒有路由；

（2）樹狀拓撲結(jié)構(gòu)是一個協(xié)調(diào)器和終端距離比較遠，需要加路由的星型網(wǎng)；

（3）在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器、路由、終端都可以通信[2]。

2 智能照明系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為3大部分，即控制中心、數(shù)據(jù)采集與收發(fā)、照明節(jié)點，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 控制中心

控制中心由協(xié)調(diào)器和上位機組成。

2.1.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器負責建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址，并將收到的光照數(shù)據(jù)通過串口方式傳送至上位機，把上位機下發(fā)的指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至各路由器節(jié)點。該部分基于支持Z-Stack協(xié)議棧的CC2530芯片進行設(shè)計，搭載無線PA電路，大大增強了無線傳輸?shù)木嚯x，以較低的成本構(gòu)建了強大、穩(wěn)定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。上位機與協(xié)調(diào)器的連接如圖2所示。

2.1.2 上位機

上位機包含數(shù)據(jù)查看（Check）和指令下發(fā)（Send）兩大功能，用戶可根據(jù)需求查看相應樓層的光照數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要下發(fā)相應的指令（開關(guān)），該部分采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32芯片設(shè)計，搭載4.7英寸電容觸摸屏，結(jié)合μCOS-Ⅲ實時性嵌入式操作系統(tǒng)。μCOS是一個可基于ROM運行（ROMable）的、可裁剪的、搶占式實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，適用于微處理器和微控制器[3]，同時引入了emWin圖形庫，友好的人機交互界面極大地提升了用戶體驗。人機交互界面如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集與收發(fā)

數(shù)據(jù)采集與收發(fā)模塊由路由器節(jié)點和光照傳感器組成。

路由器基于CC2530和無線PA設(shè)計，主要作為終端照明節(jié)點的父設(shè)備，將來自協(xié)調(diào)器的指令傳送給各終端節(jié)點和把采集到的外界光照數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸至協(xié)調(diào)器。由于路由器掛載光照傳感器BH1750，它將根據(jù)采集到的外界光照，通過優(yōu)化后的算法，發(fā)送合適的PWM數(shù)值指令至終端節(jié)點，終端節(jié)點輸出對應的PWM信號調(diào)節(jié)亮度。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器、路由器、終端的關(guān)系如圖4所示。BH1750與路由器節(jié)點的電路連接如圖5所示。

2.3 照明節(jié)點

照明節(jié)點由終端節(jié)點和LED電路組成。

2.3.1 終端節(jié)點

終端節(jié)點采用CC2530芯片和無線PA相結(jié)合進行設(shè)計，主要接收來自協(xié)調(diào)器的指令，并根據(jù)指令執(zhí)行相應操作，當收到PWM數(shù)值時，它將由引腳輸出PWM控制信號至LED驅(qū)動芯片；收到開關(guān)燈指令時，它將輸出占空比為1的信號或者輸出占空比為0的信號。

2.3.2 LED照明

LED照明部分采用四路串聯(lián)共計28顆0.5 W/8 mm白光高亮LED燈珠，驅(qū)動部分采用TI出品的恒流驅(qū)動芯片CAT4104，恒流驅(qū)動是比較理想的LED驅(qū)動方式，它能避免因LED正向電壓改變而引起電流變動，同時使LED的亮度穩(wěn)定。CAT4104驅(qū)動電路如圖6所示。

3 智能LED照明系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)主要涉及的硬件部分包括CC2530芯片、BH1750光照傳感器、STM32F407ZGT6系列芯片、CAT4104恒流驅(qū)動芯片。

3.1 CC2530芯片

CC2530系列芯片具有8 KB SRAM、32/64/128/256 KB閃存、2個16位定時器、2個8位定時器、1個支持7～12位分辨率的ADC、1個內(nèi)置看門狗、2個串口、2個SPI、1個USB、21個數(shù)字I/O引腳。

3.2 BH1750光照傳感器

BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個數(shù)字信號，無需再做復雜計算。這是一種更精良和容易使用的簡易電阻器版本，通過計算電壓獲得有效數(shù)據(jù)，它有1個I2C 總線接口（ f / s 模式支持），1.8 V 邏輯輸入接口，無需任何外部零件且對光源的依賴性不大。

3.3 STM32F407ZGT6系列芯片

STM32F407ZGT6系列芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、12個16位定時器、2個32位定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個全雙工I2S、3個I2C、6個串口、2個USB、2個CAN、3個12位ADC、2個12位DAC、1個RTC、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個10/100 M以太網(wǎng)MAC控制器、1個攝像頭接口、1個硬件隨機數(shù)生成器以及112個通用I/O口等[4]。

3.4 CAT4104恒流驅(qū)動芯片

CAT4104是安森半導體公司研發(fā)的一款LED恒流驅(qū)動芯片，通過由一個外部電阻連接到RSET引腳，該芯片內(nèi)部設(shè)有1.2V基準源電路，可以為四條LED通道提供每條高達175mA的恒定電流。芯片的LED通道引腳兼容的高電壓達到25V并且支持長串LED應用[5]，還有PWM控制輸入口，支持高頻PWM波調(diào)光控制。具有過熱保護功能，芯片溫度達到150℃時關(guān)閉LED通道的輸出。

3.5 電源部分電路

由于本系統(tǒng)使用的CC2530芯片的工作電壓為3.3 V（由電池獨立供電），而恒流驅(qū)動芯片CAT4104的工作電壓為5 V，LED部分的供電電壓為24 V。故使用24 V電源降壓提供5 V電源，以保證各模組正常工作。電源部分電路如圖7所示[6]。

4 智能LED照明系統(tǒng)軟件設(shè)計

整體系統(tǒng)的程序在IAR軟件環(huán)境下進行編寫和編譯，主要函數(shù)包括Z-Stack協(xié)議棧、模塊初始化、函數(shù)調(diào)用等，程序的模塊化易于查錯、修改及維護。

//協(xié)調(diào)器接收來自上位機的數(shù)據(jù)

void SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{

uint16 temp；

uint8 asc_16[16]={'0'，'1'，'2'，'3'，'4'，'5'，'6'，'7'，'8'，'9'，'A'，'B'，'C'，'D'，'E'，'F'}；

switch （ pkt->clusterId ）

{

case SAMPLEAPP_ADDR1：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設(shè)備1的短地址

Addrtable[1]=temp；

UsartBuf[0]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR2：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設(shè)備2的短地址

Addrtable[2]=temp；

UsartBuf[1]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR3：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設(shè)備3的短地址

Addrtable[3]=temp；

UsartBuf[2]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR4：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設(shè)備4的短地址

Addrtable[4]=temp；

UsartBuf[3]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR5：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設(shè)備5的短地址

Addrtable[5]=temp；

UsartBuf[4]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

}

}

//發(fā)送終端監(jiān)測到的光照強度數(shù)據(jù)

void SampleApp_Senddata（ void ）

{

uint8 Txdata[3]；

read_BH1750（）；

ctrl_myself（liangdu）；

storage_percent（liangdu）；

Txdata[0]=ge；

if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr， &SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_ADDR1，

1，//字節(jié)數(shù)

Txdata，//指針頭

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）

{

}

else

{

// Error occurred in request to send.

}

}

5 結(jié) 語

經(jīng)測試，本系統(tǒng)按預期實現(xiàn)了各相關(guān)功能。在經(jīng)過多次電路改進并調(diào)試后，電路設(shè)計上減少了各模塊之間的干擾，優(yōu)化后的模塊化程序設(shè)計使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)利用ZigBee 技術(shù)設(shè)計的LED照明系統(tǒng)實現(xiàn)了燈光的遠程控制和自適應調(diào)節(jié)，提高了照明系統(tǒng)的智能化，大大降低了照明能耗。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行效果良好，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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[4]劉軍，張洋，嚴漢宇，等.精通STM32F4（第1版）[M].北京：北京航天大學出版社，2013.

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