基于ZigBee的LED照明系统设计

南周羽，陈 强

（1.浙江省乐清市供电局，浙江 乐清 325600；2.浙江省乐清市公安局，浙江 乐清 325600）

1 引言

伴随着电子技术与无线通信技术的发展，人们对生活水平的追求越来越高。智能化被人们所熟知，作为智能化之一的智能照明系统在未来照明领域中具有很好的发展前景。传统的照明系统大多采用有线连接，铺线麻烦，价格昂贵，不易扩展，安装复杂，不易移动维护，能量消耗大。针对传统照明的不足，可以采用无线数据传输来代替有线传输。ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4的物理层和媒体访问层标准，与其他短距离无线协议相比，具有功耗低、可靠性高、复杂度低、支持大量网络节点和运行费用较低等显著优点，非常适合在照明系统中应用。本文提出了一个基于ZigBee的LED照明系统的设计方案，可以有效解决当前照明系统智能化水平低、电能消耗大以及照明利用率低的问题，有着广阔的应用前景[1～3]。

2 系统介绍

2.1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，主要适用于数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、耗电低的场合[4]。

从技术性能来看，ZigBee具有如下特点：

（1）可靠。由于其物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰。MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。

（2）时延短。针对时延敏感的应用做了优化，一般时延只有15～30 ms。

（3）功耗低。低耗电模式下，2节5号电池可支持1个节点工作6至24个月，相比而言蓝牙能工作数周，Wi-Fi只能工作数小时，这是ZigBee的突出优势。

（4）成本低。协议简单，代码量少，且不收专利费，每个芯片大概为两美元。

（5）低速率。工作在20～250 kbps的较低速率，专注于低传输应用。

（6）距离近。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后亦可增加到1～3 km。

（7）容量大。可支持高达65 000个节点。

（8）保密性好。采用64位出厂编号，支持AES-128加密。

（9）频段灵活。使用的频段分别为2.4 GHz（全球）、868 MHz（欧洲）及915 MHz（美国），而且均为免执照频段[5]。

2.2 系统总体结构

该照明系统是由两个部分组成的，有一个协调器和多个路由器或终端设备。协调器在该系统里扮演命令的发送者和消息的收集者，它将来自电脑的命令通过ZigBee网络发送到相应的路由器或终端设备，同时将接收到的从路由器或终端设备发来的消息传输给电脑。路由器或终端设备既是命令的执行者，也是信息的采集者。他们可以根据命令执行操作来控制LED，还可以检测电压、电流以及光亮度，并将得到的数值通过协调器上传至电脑。协调器主要由CC2530模块、串口模块组成，路由器或终端设备主要由CC2530模块、电源模块、电压电流检测模块、光亮度检测模块以及LED控制模块组成。图1是该系统的总体框图。

3 硬件设计

3.1 协调器

协调器主要由CC2530模块、串口模块组成。

图1 系统总体框图

该系统是以CC2530为核心芯片设计的。CC2530是TI公司推出的用于嵌入式应用的片上系统，是使用IEEE 802.15.4标准、ZigBee和ZigBee RF4CE的一个片上系统解决方案。CC2530内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。CC2530能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，拥有较大的Flash，其存储容量多达256 kB，它是理想的ZigBee专业应用芯片[6]。CC2530比他之前推出的CC2430有更大的Flash、更小的体积以及更低的功耗，而且拥有更大的最大发射功率和更好的灵敏度，使得它能够传输更远的距离。使用CC2530，两个节点间的距离能够达到100 m左右，再加上CC2591，可以传输1 ～2 km。

ZigBee网络与监控主机连接的方式有多种，通常情况下是将协调器与PC机通过串口直接连接，进行数据通信。PC机可以通过串口向协调器发送控制信息，同时协调器通过串口发送网络数据采集信息给PC机。由于CC2530使用的TTL电平以电平的高低来表示逻辑状态，而串行通信中一般使用的RS-232通信协议用正负电压来表示逻辑状态。二者的电平不同，需要外接接口进行电平匹配。CC2530工作在3.3 V的电压下，所以这里采用的是Spiex公司的sp3232电平转换芯片。sp3232的工作电压为3～5.5 V。

3.2 路由器和终端设备

路由器跟终端设备的硬件一样，只是在软件上有没有路由功能的区别。他们包括CC2530核心模块、电源模块、电压电流检测模块、光亮度检测模块以及LED控制模块。CC2530核心模块跟上述是一样的，在这里就不再重复。

为了给控制器供电，设计了一个两路5 W输出12 V的开关电源，其中一路经HT7533稳压芯片后输出3.3 V给CC2530供电，另一路给PWM调光模块提供一个隔离的12 V电源。该电源将220 V的市电经整流滤波后，用开关电源芯片TNY277PN逆变成高频交流电，以TL431组成的相关电路作为基准稳压源，与光耦LM817配合实现电压的负反馈。

电压电流检测，在这里采用的是峰值检波的方法。所谓峰值检波，主要由二极管电路和电压跟随器组成，当输入电压正半周时，二极管导通，对电容充电，当输入负半周时，二极管截止，电容既不充电也不放电，保持在之前的最大值。在该系统中先用电压互感器、电流互感器将大信号转换为小信号，再利用峰值检波原理，将交流电转换为其峰值，然后经过CC2530的A/D转换，得到线路的电压、电流值。

光亮度测量中使用的传感器是光敏电阻。选用的是JunYe公司的硫化镉型光敏电阻JY5516。该光敏电阻灵敏度高、稳定性高、光谱特性好、体积小、使用寿命长。设计如图2所示。

VCEN为控制端，接至CC2530的I/O口，当输出为高电平，三极管Q1饱和导通，三极管上VCE的压降约为0.3 V，此时R4与R5对VCC-VCE进行分压。当外界光强度变化时，A点电压随着变化，A1 IN接到CC2530的A/D引脚，A点光强度信号所对应的特定电压信号，经R3与C14组成的消抖、低通滤波电路后送入CC2530，经ADC转变为数字量。当VCEN为低电平，三极管Q1截止，此时R4与R5中无电流流过，这样可以起到适当节能的目的。

图2 光强度检测电路

LED控制模块包括继电器模块和调光模块。继电器模块是利用三极管来放大驱动能力，从而控制继电器的闭合与断开来实现对LED的开关。调光模块可以控制LED路灯的亮度，而且每路都可以实现PWM调光和可控硅调光。CC2530的芯片引脚输出200 Hz占空比可以从1%～100%的PWM。经过三极管的放大和光耦的隔离，从而在光耦的另一端得到一个200 Hz的PWM。而且通过整流、稳压，可以输出0～12 V的直流电，满足不同路灯的要求。

4 程序设计

ZigBee的网络拓扑结构可分为网状结构、星型结构和树状结构[7]，考虑到网状结构能够缩短信息传输的延迟和提高通信网络的可靠性[8]，因此在该系统中的网络拓扑采用的是网状结构。

协调器是命令的发送者和消息的收集者。它将来自电脑的命令通过ZigBee网络发送到相应的路由器或终端设备，同时将接收到的从路由器或终端设备发来的消息传输给电脑。给协调器上电启动以后，首先进行一系列的软硬件初始化，然后再创建一个网络，接下来就等待是否有电脑命令或者来自节点的消息。如果收到来自电脑的命令，将命令传输给相应的节点；如果收到来自节点的消息，就将消息发给电脑。其流程图如图3所示。

图3 协调器流程图

路由器、终端设备不仅有控制功能，还有查询与报警功能。路由器、终端设备在经过一系列的初始化之后，便会搜索网络并加入。在这之后对电压、电流采样，如果超过设定的阈值，就会发送报警消息到协调器。然后判断是否开启了感光功能，如果是，就会查询当前的光亮度，如果低于设定值就打开LED灯，高于设定值就关闭。如果没有开启感光功能，接下来会判断是否有收到来自协调器的命令。如果收到协调器的开关命令，通过操作继电器来打开或者关闭LED灯；如果收到的是调光命令，利用调光驱动来调节LED灯的亮度；当收到的是查询命令，可以根据需要把当前的LED开关情况、调光值以及电压电流值发送到协调器。如果没有收到任何命令的话，就会重新采样电压、电流，如此一直循环。具体流程图如图4所示。

图4 路由器、终端设备流程图

为了使协调器与路由器或者终端设备能够通讯，制定了自己的通讯协议，其中包括发送命令和返回命令，帧结构如表1、表2所示。

表1 发送命令帧结构

表2 返回命令帧结构

帧结构的各个部分含义如下：

(1)起始符：标识一帧的开始；(2)目的识别：表示该命令是单播、组播还是广播；(3)目的地址：目的控制器上CC2530的IEEE地址；(4)命令分类：区分命令的类型；(5)命令对象：表示命令的执行对象是什么，比如继电器、调光等；(6)动作类型：动作的类型，比如开、关；(7)动作要求：动作的具体值，比如调光的数值；(8)校验码：异或校验；(9)结束符：标识一帧的结束；(10)器件类型：发送返回命令的控制器的器件种类，如路由器、终端设备等；(11)源地址：发送返回命令的控制器上CC2530的IEEE地址；(12)数据内容：等同于动作要求，是返回的具体值。

5 结论

文中根据实际需要完成了LED照明系统的设计与实现，该控制器在提高照明系统的信息化、智能化程度的同时，还大大降低了电能的浪费，符合国家节能减排的发展战略，定会在智能交通领域得到广泛应用。

[1]熊少义，钟洪声. ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统[J]．新器件新技术，2011(6)：46-48.

[2]蒋培兴. 基于AT98C52的大功率太阳能LED路灯电路设计与仿真[J]．照明工程学报，2009, 4.

[3]吴春海，吴贵才. 太阳能在城市照明的应用前景[J]．照明工程学报，2005(2)：31-34.

[4]赵望达，陈建国. 基于MSC1210Y的铁路道口安全防护无线预警系统设计[J]. 电子质量，2005(12).

[5]高建辉. 基于ZigBee和移动平台的家庭网络巡警系统[D].北京：中国地质大学，2011.

[6]汤镇辉，张正明. 基于CC2530的ZigBee无线路灯节能智能监控系统[J]. 微型机与应用，2011(19)：81-83.

[7]李文仲，段朝玉. ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[8]王亚兰. 路灯节能器的研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2008.