基于ZigBee无线调光的LED路灯控制系统设计

张斌杰+毛鹏+张世奇+张晨+丁宇华

摘 要：針对目前路灯能耗大、控制简陋等诸多问题，文中设计了一种基于 ZigBee 无线调光的 LED 路灯控制系统，采用 LED 路灯代替传统路灯。该路灯系统以 CC2530 芯片为核心控制部件，采用 2.4 GHz - IEEE 802.15.4 - ZigBee技术实现了控制中心和GPRS终端之间、GPRS终端与路灯之间及路灯与路灯之间的无线通信，通过改变 PWM 波的占空比来调节 LED 灯的亮度，显著减少了能耗。

关键词：无线调光；LED 路灯；ZigBee 技术；无线通信

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

随着城市边界的扩大与城乡一体化的发展，公共路灯的数量激增，运营维护的支出较为庞大。为了提升公共路灯的节能性与智能化，本文提出一种基于 ZigBee 无线调光的LED路灯控制系统设计，以降低能耗与运营成本。

1 总体设计方案

基于 ZigBee 无线调光的LED路灯控制系统主要由位于控制中心的中央控制模块和路灯系统组成。控制中心由多个控制终端组成，用于实时灵活地对整个系统进行调节和控制。路灯系统包括协调器模块和路灯模块。协调器模块包括GPRS终端、 ZigBee 协调器节点；路灯模块包括各ZigBee路由器节点以及120 W路灯驱动器。路灯系统用于接收来自中央控制模块的指令进行路由转发，实现对路灯的无线控制。根据程序设定或操作人员指令，系统通过运营商搭建的 GPRS 网络，将信号发送至各 GPRS 模块，并由其下辖的ZigBee网络协调器节点发出PWM波占空比增加或减少指令。各路由器节点接收协调器或上级路由器的指令，根据指令增减 PWM 波占空比并输出，通过 LED 驱动电路实现无线调光控制。同时路由器节点还可将指令传输给其他路由器节点。

2 硬件设计

2.1 中央控制模块与GPRS模块

中央控制模块中的Web网页端、手机App、PC端等平台，将指令传递到控制中心。控制中心通过现有的基站，使用 GRPS 移动通信网络将指令下发至路灯系统的 GPRS 模块。 GPRS 模块再将指令发送至其下辖的 ZigBee 网络中。系统结构框图如图1所示。

2.2 CC2530 芯片及外围电路

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的近距离无线组网通讯技术[1]。本设计路灯系统中的ZigBee协调器、路由器节点基于 CC2530 芯片搭建。CC2530是用于ZigBee 和RF4CE的一个真正的片上系统解决方案，其内部模块大致分为中央处理器和存储器模块，时钟和电源模块，外设和无线通信模块三类[2]。其集成化程度较高，能够节约硬件成本，简化布线工作，降低系统能耗，增强抗干扰能力，提高系统可靠性。

CC2530内嵌RF内核控制模拟无线模块。当CC2530接收到无线信号时，首先经过低噪声放大器进行放大，再通过数字逻辑单元滤波等，最后经过D/A变换，通过功率放大器传输到天线，将信号发送出去，完成数据的无线传输。

CC2530芯片内部系统的时钟源既可以选择16 MHz的RC振荡器，也可以选择32 MHz 的晶体振荡器。但是，若需要运行RF收发器，则必须选择高速且稳定的32 MHz的晶体振荡器。

CC2530芯片为了实现低功耗的目标，提供了五种不同的运行模式，即主动模式，空闲模式，PM1，PM2和 PM3[3]。主动模式是完全功能的运行模式，而 PM3是用于获得最低功耗的工作模式，所有的振荡器都不运行。通过运行模式的调节，可以显著降低功耗，符合节能的需求。

P0口可用作ADC输入口，可通过软件设置使用内部参考电压。将其应用于本设计中，能够对电压、电流进行实时监测，保证及时发现、处理异常情况。CC2530及外围电路如图2所示。

2.3 供电电路

根据交流电220 V，50 Hz的准则及系统供电需求，供电模块主要分为两部分：一部分是AC-DC电路，另一个部分是DC-DC电路。

2.3.1 AC-DC 电路

AC-DC电路是将220 V的交流电先通过EMC滤波电路进行滤波，尽量消除输入电压中的谐波，再通过桥式整流电路将交流电整流为直流电。AC-DC供电产生电路如图3所示。

2.3.2 DC-DC 电路

本系统需要两种不同的直流电压，3.3 V 给芯片CC2530供电，12 V给调光电路中的比较芯片LM2902等供电。因此，DC-DC模块由两个电路组成：一个将LLC振荡电路产生的 35 V电压降为12 V，另一个将 BUCK 电路产生的12 V电压转为3.3 V。

BUCK电路采用MP2459芯片及外围电路构成，MP2459是一个降压、内置功率MOSFET的开关型变换器[4]。BUCK降压电路如图4所示。

3.3 V降压电路采用AMS1117-3.3芯片及外围电路构成，是一个低漏失的三端线性稳压器[5]，具有精度高、体积小、效率高等优点。3.3 V供电产生电路如图5所示。

2.4 调光电路

本设计采用流控的方式来调节 LED 灯的亮度。CC2530定时器产生频率为57 kHz可调占空比的PWM波，经两个电容滤波后，输入运算放大器正输入端，经放大后输出。由此实现芯片口3.3 V到12 V方波的转换。此外电压跟随器用于隔离前级和后级电路，使得前级和后级电路之间互不影响、干扰，从而提高系统的稳定性和可靠性。调光电路的部分电路如图6所示。

调光电路中的运算放大器选用LM2902 芯片，此芯片由4个独立、高增益的运算放大器组成，专为在各种电压范围内的单电源供电。LM2902的应用包括传感器放大器，直流放大器以及所有常规的运算放大器电路。endprint

3 系统软件设计

软件方面采用TI公司针对自身生产的 CC系列芯片设计的Z-Stack协议栈，该协议栈符合ZigBee-2006和ZigBee-2007规范[6]。用IarIdePm软件及C语言编写程序。根据该系统的功能设计要求，系统的程序主要包括无线数据传输程序、串口反馈程序、状态监测程序和PWM波产生程序。此处主要介绍了无线数据传输程序和PWM波产生程序。

3.1 无线数据传输程序

当控制中心发来指令或终端设备有信息反馈时，调用无线数据传输程序完成数据传递。

在发送部分的程序设计中，定义了一个字符数组COCMD[7]来存储指令，数组中包含设备识别符、目标设备ID、PWM大小/增减。发送的数据包括目的地址、端点地址、传送模式、数据长度以及任务、ID等，其发送函数的源代码如下：

void GenericApp_SendTheMessage（unsigned char *COCMD）

{

afAddrType_t my_DstAddr；

my_DstAddr.addrMode = （afAddrMode_t）AddrBroadcast；

my_DstAddr.endPoint = GENERICAPP_ENDPOINT；

my_DstAddr.addr.shortAddr = 0xFFFF；

AF_DataRequest（&my_DstAddr， &GenericApp_epDesc，

GENERICAPP_CLUSTERID，9，COCMD，

&GenericApp_TransID，AF_DISCV_ROUTE，AF_DEFAULT_RADIUS）；

}

接收端处理函数通过识别判读消息来源与目的设备ID来确认消息是否发送给本端，再根据指令中的内容正确调整PWM波预设值，并存入value以调整亮度。接收端处理函数流程如图7所示。部分源代码如下：

Void GenericApp_MessageMSGCB

（afIncomingMSGPacket_t *pkt）

{

switch （pkt->clusterId）

{

case GENERICAPP_CLUSTERID：

osal_memcpy（COCMD， pkt->cmd.Data， 9）；

if （osal_memcmp（COCMD， "CO"， 2））

{if（（COCMD[6]=='F'&&COCMD[7]=='F'）||（COCMD[6]==Router_EndDeviceID1&&COCMD[7]==Router_EndDeviceID2））

{temp=（COCMD[3]-'0'）*10+（COCMD[4]-'0'）；

if（COCMD[5]=='U'） value+=temp；

if（COCMD[5]=='D'） value-=temp；

InitialT1（）；}}}}

3.2 PWM波產生程序

本调光系统利用CC2530的定时器1来生成PWM波，通过调整高电平和低电平的占空比来实现LED灯的调光。PWM波通过比较模式产生，其周期由T1CC0L和T1CC0H决定，输出占空比由T1CC2L和T1CC2H决定。通过修改 T1CC2L值来改变PWM波的占空比。PWM波产生函数流程如图8所示。定时器1控制产生PWM波的源代码如下：

void InitialT1（void）

{

PERCFG |= 0x40； P2SEL &= ～0x10；

P2DIR |= 0xC0； P1DIR |= 0xff；

P1SEL |= 0x01； T1CC2H = 0x00；

T1CC2L = value；

T1CC0H = 0x00； T1CC0L = 0xff；

T1CCTL2 = 0x1c； T1CTL = 0x02；

}

4 实验结果

图9展示了系统硬件实物图。协调器模块包含有GPRS模块及以CC2530芯片为核心的 ZigBee协调器；路灯模块包含有以CC2530芯片为核心的ZigBee路由器与LED驱动电路。

5 结 语

本文设计了一种基于ZigBee无线调光的LED路灯控制系统。该系统在以ZigBee技术为基础的前提下，结合GPRS模块，合理有效地实现了控制中心对LED路灯的远程无线调光，不仅节约了电能，更大大减少了成本投入，具有良好的应用价值。

参考文献

[1] 陈焕，范铠，汪正祥.ZigBee与其他短距离无线通信技术比较及其应用[J].信息技术，2015，39（5）：180-183.

[2] 王磊.基于蓝牙4.0技术的防丢器的研究与设计[D].太原：太原理工大学，2013.

[3] 冯金龙.高速公路路面结冰检测系统的研究[D].南京：南京信息工程大学，2011.

[4] 姜启刚，张传伟.基于MP2459的Buck电路[J].科技创新与应用，2017 （15）：81.

[5] 黄炯.嵌入式家庭防盗报警系统设计及CSMA/CA算法研究[D].南京：南京理工大学，2014.

[6] 吕芳芳，佟国香，谭健.基于CC2530的智能家居控制系统[J].信息技术，2014，38（6）：110-112.

[7] 刘春玲，王道乾，崔文冲，等.LED路灯自适应调光无线控制器[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（1）：97-101.

[8] 苏楚怡，黄金旭，刘灼权，等.基于ZigBee的智能LED照明系统[J].物联网技术，2017，7（7）：83-85，88.endprint