基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED無極調(diào)光及控制系統(tǒng)

張曉伏

摘 要：針對目前LED照明系統(tǒng)功耗大、控制系統(tǒng)復(fù)雜和亮度調(diào)節(jié)非智能化等諸多問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的LED無極調(diào)光及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CC2530實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸，建立網(wǎng)絡(luò)，與集成PWM芯片SY5802A組成PWM模擬調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)無級調(diào)光。其也設(shè)置了上位機(jī)，能實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控電壓、電流及功率等指標(biāo)信息，并且可以遠(yuǎn)端控制LED亮度。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無極調(diào)光；LED照明；SY5802A；CC2530

中圖分類號：TM923.34；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0018-04

The Design of Stepless and Control System of LED Based on

ZigBee Wireless Network Technology

ZHANG Xiaofu

Abstract： In view of many problems such as large power consumption， complex control system and unintelligentized brightness adjustment of LED lighting system， this paper designed a kind of LED non pole dimming and control system based on ZigBee. The system used CC2530 to realize remote data transmission， established network， and integrated PWM chip SY5802A to form PWM analog dimming mode to achieve stepless dimming. The system also set up a host computer， which could display real-time monitoring voltage， current and power and other index information， and could control the brightness of LED remotely.

Keywords： ZigBee；stepless adjusted；LED lighting；SY5802A；CC2530

1 研究背景

隨著社會的快速發(fā)展，對能源的需求逐漸增加，能源危機(jī)日益加劇，而節(jié)能減排成為發(fā)展的大趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明用電占全球用電量的19%，電量消耗巨大[1]。因此，節(jié)能和綠色照明已經(jīng)緊密聯(lián)系在一起。作為照明領(lǐng)域后起之秀的LED燈耗電量為白熾燈的十分之一、節(jié)能燈的四分之一，但其工作壽命卻是白熾燈的100倍。此外，LED燈還具有無頻閃、電壓可調(diào)、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)[2]。因?yàn)長ED與傳統(tǒng)照明光源相比具有諸多優(yōu)勢，所以其已經(jīng)逐漸成為照明的主流。

LED燈具為降低能源的消耗發(fā)揮了重要作用。但現(xiàn)階段，用于LED照明的驅(qū)動器成為其推廣應(yīng)用及降低能耗的一個(gè)技術(shù)瓶頸。LED燈對驅(qū)動器的要求非常苛刻，對轉(zhuǎn)換效率、恒流精度、電源壽命和有效功率等性能要求十分嚴(yán)格，電源的輸出直流對LED產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性具有直接影響[3]。同時(shí)，LED驅(qū)動模塊運(yùn)行信息的缺乏對LED照明的進(jìn)一步擴(kuò)展和應(yīng)用也是一個(gè)障礙。在一些大規(guī)模應(yīng)用及相關(guān)安全領(lǐng)域，對LED燈具運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控也十分必要。由此可得出，LED照明的驅(qū)動器及其工作監(jiān)控系統(tǒng)在未來綠色照明市場上的應(yīng)用前景非常廣闊。

在國內(nèi)，LED燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于LED燈的運(yùn)行狀態(tài)[4]。為了解決自動調(diào)光和遠(yuǎn)程控制等問題，何永玲等學(xué)者[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)集單片機(jī)控制系統(tǒng)、Web服務(wù)器及Android客戶端于一體的智能照明控制系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)的朱玲媛提出采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用紅外傳感器以及光敏傳感器采集路燈的工作信息，并根據(jù)需求對路燈的亮滅狀態(tài)及亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用霍爾電流傳感器采集路燈的故障信息，利用GSM模塊將路燈故障報(bào)警信息發(fā)送到終端。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee的LED無極調(diào)光驅(qū)動及監(jiān)控系統(tǒng)包括照明控制節(jié)點(diǎn)（LED燈、LED驅(qū)動器）、傳感器終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)等。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集光照強(qiáng)度的信息并發(fā)送無線控制信號；照明控制節(jié)點(diǎn)接收控制信號并調(diào)控?zé)艄饬炼龋粎f(xié)調(diào)器用于建立和啟用無線局域網(wǎng)并傳達(dá)無線網(wǎng)絡(luò)信號，對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制管理及存儲無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，同時(shí)完成與上位機(jī)的通信；上位機(jī)負(fù)載組網(wǎng)配置，并設(shè)置手動遠(yuǎn)程調(diào)光按鈕。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

傳感器節(jié)點(diǎn)由光敏電阻和無線發(fā)射器組成。在不同的光照亮度下，光敏電阻的阻值會發(fā)生變化。在光照亮度發(fā)生變化后，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線發(fā)射設(shè)備將光照亮度信息發(fā)送到控制節(jié)點(diǎn)。

照明控制終端主要由LED燈、LED驅(qū)動器及無線收發(fā)器等構(gòu)成。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的光照信息低于設(shè)定值時(shí)，控制終端打開LED燈，并通過LED驅(qū)動器調(diào)整其亮度，傳感器節(jié)點(diǎn)不停地對亮度信息進(jìn)行檢查，相互交換信息，最終實(shí)現(xiàn)亮度無極調(diào)光控制。在亮度為正常值時(shí)，控制終端不動作，LED燈不亮。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由無線收發(fā)器與EIA485模塊組成，發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)信息，完成節(jié)點(diǎn)之間的綁定，達(dá)到傳感器節(jié)點(diǎn)與控制端之間靈活控制的目的，并完成與上位機(jī)的通信任務(wù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

CC2530的片內(nèi)外設(shè)包括AES加密/解密內(nèi)核、閃存控制器、I/O控制器、調(diào)試、定時(shí)器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、ADC、DMA控制器、看門狗和UART等模塊。其還結(jié)合8kB的SRAM和32kB可編程FLASH。用戶可以利用豐富的片內(nèi)外資源，進(jìn)行所需應(yīng)用的開發(fā)。為了完成LED燈的無極調(diào)光及監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及控制終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是基于CC2530芯片進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心，是一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，主要功能是組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，管理并存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息及協(xié)助處理應(yīng)用層信息等。本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用485串口通信與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。圖2為協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)圖。

3.2 路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)主要用于節(jié)點(diǎn)之間的接力，擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸距離，是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的樞紐。在進(jìn)行無線網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)LED燈的分布合理布置路由器，使每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都在無線網(wǎng)的覆蓋范圍之內(nèi)。路由器節(jié)點(diǎn)主要由無線收發(fā)器及CC2530模塊組成。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)及控制終端節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是完成光照亮度的檢測，并把信號傳輸?shù)娇刂平K端。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由光敏電阻、射頻模塊、地址模塊及存儲模塊組成。控制終端主要包括LED燈、LED驅(qū)動器、地址模塊及存儲模塊等。終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

光敏傳感器采集光照信息，經(jīng)過處理將信號傳送給處理器CC2530，處理器CC2530根據(jù)當(dāng)前的亮度信息進(jìn)行計(jì)算，輸出適合的PWM波給LED驅(qū)動器，通過LED驅(qū)動器的輸出改變LED燈的亮度，從而達(dá)到無極調(diào)光的目的。

4 LED無極調(diào)光驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

SY5800A是單級回程PFC控制器，主要應(yīng)用于LED照明領(lǐng)域。其是一個(gè)主端控制器，沒有應(yīng)用任何低成本的二次反饋電路和驅(qū)動器，在準(zhǔn)諧振反激式變換器模式可以獲得更高的效率和高功率因數(shù)。該控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：一次側(cè)控制消除了光耦合器，可實(shí)現(xiàn)PWM或模擬調(diào)光，谷導(dǎo)通的初級MOSFET，實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，0.3V初級電流檢測基準(zhǔn)電壓引線，內(nèi)部高電流MOSFET，低至15μA啟動電流，單級轉(zhuǎn)換功率因數(shù)大于0.90。

采用集成PWM芯片SY5802A模擬調(diào)光方式實(shí)現(xiàn)無級調(diào)光，將PWM信號輸入到PWM引腳，PWM引腳檢測PWM信號電流，利用脈寬調(diào)制技術(shù)開關(guān)LED驅(qū)動器來改變LED燈的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整平均輸出電流以達(dá)到改變亮度的目的，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)光功能。本文采用SY5802A芯片的雙側(cè)調(diào)光，次級0～10V輸出調(diào)光的設(shè)計(jì)。圖4為二次調(diào)光測輸入信號時(shí)LED驅(qū)動器電路圖。

圖5是在二次調(diào)光測輸入信號時(shí)二次側(cè)LED驅(qū)動器的輸出波形圖。

注：CH1（blue）：Vdimming signal；CH2（cyan）：Vtriangular wave；CH3（pink）：VPWM_second side。

CC2530輸出的PWM波直接接在圖4中的PWM接口，通過PWM波改變驅(qū)動器的占空比。通過控制U2光耦，Q28050三極管與場效應(yīng)管Q52N7002控制LED燈的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)界面、協(xié)調(diào)器和無線傳輸模塊等，各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)均是基于C語言開發(fā)的，上位機(jī)的開發(fā)是基于VC++開發(fā)的。

5.1 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)的開發(fā)是基于VC++面向?qū)ο笈c可視化軟件開發(fā)平臺開發(fā)的相應(yīng)監(jiān)測控制軟件，對LED燈進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測管理與控制，并顯示電壓、電流與功率等信息，設(shè)置相關(guān)按鈕對LED進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

上位機(jī)要能實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器之間的通信，并完成網(wǎng)絡(luò)配置。上位機(jī)通過EIA485模塊向協(xié)調(diào)器發(fā)送配置信息。在對終端節(jié)點(diǎn)建立綁定關(guān)系之前，上位機(jī)需要先掃描網(wǎng)絡(luò)，查詢網(wǎng)絡(luò)中部署的節(jié)點(diǎn)和相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，工作人員能利用網(wǎng)絡(luò)配置界面對網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，并將配置信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器以廣播的形式將接收的配置信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在主界面中，自動控制為默認(rèn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的是本地上位機(jī)與協(xié)調(diào)器之間的通信。操作人員點(diǎn)擊控制按鈕，可以產(chǎn)生相應(yīng)的指令，通過串口傳輸給協(xié)調(diào)器，通過無線發(fā)射設(shè)備傳送到控制終端。上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示窗口可以顯示協(xié)調(diào)器傳輸過來的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完成之后，點(diǎn)擊獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按鈕，可以在列表中看到所有的聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。數(shù)據(jù)顯示區(qū)可以顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)名稱及編號。如果想要單獨(dú)查看某個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以選中任意按鈕并手動輸入節(jié)點(diǎn)號就可以查看該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。在選擇界面上的遠(yuǎn)程控制按鈕后，可以通過上位機(jī)控制LED燈的亮與滅。

5.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

想要實(shí)現(xiàn)照明控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，需要開發(fā)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)及路由器節(jié)點(diǎn)的程序。

在協(xié)調(diào)器上電之后，首先要對Z-STACK進(jìn)行初始化，對信道進(jìn)行掃描，并評估空閑信道，從中提取適合的信道及網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，啟動ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送超幀，等待終端節(jié)點(diǎn)的連接請求，對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證，確認(rèn)信息的合法性，確認(rèn)信息無誤之后，協(xié)調(diào)器發(fā)出連接命令，完成終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的連接，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求時(shí)，協(xié)調(diào)器要對命令進(jìn)行甄別，確認(rèn)是綁定命令后，協(xié)調(diào)器發(fā)送目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址并等待目標(biāo)應(yīng)答。此時(shí)，廣播發(fā)送需要綁定的節(jié)點(diǎn)地址。圖7為協(xié)調(diào)器程序流程。

在路由器節(jié)點(diǎn)上電之后，先對Z-STACK進(jìn)行初始化，開始信道掃描，找到可以加入的網(wǎng)絡(luò)。路由器檢測到協(xié)調(diào)器發(fā)送的超幀信號后，該路由器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器申請加入連接。此時(shí)，路由器節(jié)點(diǎn)獲得協(xié)調(diào)器的標(biāo)識符，從而加入網(wǎng)絡(luò)。在路由器節(jié)點(diǎn)接收到終端節(jié)點(diǎn)的連接申請之后，需要對申請信息進(jìn)行認(rèn)證，確定合法之后，發(fā)送連接命令，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)的連接。

在終端節(jié)點(diǎn)上電之后，先要對Z-STACK進(jìn)行初始化，需要進(jìn)行信道掃描，找到可以加入的網(wǎng)絡(luò)。在終端節(jié)點(diǎn)檢測到協(xié)調(diào)器發(fā)送的廣播信號時(shí)，請求加入網(wǎng)絡(luò)，在獲得協(xié)調(diào)器的標(biāo)識符后，完成加入網(wǎng)絡(luò)。在終端節(jié)點(diǎn)接收到綁定信號之后，需要將目標(biāo)地址與本所的地址進(jìn)行匹配，匹配成功之后，終端節(jié)點(diǎn)存儲接收到的綁定信息。在光敏電阻的阻值達(dá)到臨界值之后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向控制終端發(fā)送信號，并發(fā)送本節(jié)點(diǎn)地址。在控制終端檢測到傳感器節(jié)點(diǎn)的信號之后，對接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的地址進(jìn)行匹配，匹配成功后打開LED燈，傳感器節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行檢測，將信號傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)，LED驅(qū)動器對LED進(jìn)行調(diào)光，直到LED亮度達(dá)到需求。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖8所示。

6 結(jié)語

本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與LED無極調(diào)光技術(shù)設(shè)計(jì)了一種LED燈的無極調(diào)光及控制系統(tǒng)。采用無線網(wǎng)絡(luò)減少了布線，提高了靈活性。同時(shí)，結(jié)合傳感器檢測與PWM無極調(diào)光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動平滑的亮度調(diào)整，具有較好的調(diào)光效果。此外，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示輸出電壓、電流與功率等指標(biāo)，還可以在上位機(jī)進(jìn)行人工遠(yuǎn)程控制LED燈的亮度，減少人員工作量。根據(jù)環(huán)境內(nèi)的亮度條件自動監(jiān)測是否需要開啟LED燈，是否需要調(diào)整亮度，在滿足節(jié)能的條件下達(dá)到最佳照明效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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