基于Zigbee技術(shù)的LED燈光控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董 超，孫 劍，夏繼媛，李 欣

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

目前我國(guó)大力推行用LED燈取代白熾燈的政策，而且將在五年內(nèi)實(shí)施完成，這一政策解決了照明耗電嚴(yán)重，使用壽命短的問(wèn)題，此外，工程布線繁瑣安裝復(fù)雜，不易移動(dòng)控制，能量消耗大、施工周期長(zhǎng)、后期維護(hù)困難等這些問(wèn)題仍然需要解決，Zigbee技術(shù)的廣泛應(yīng)用給目前的問(wèn)題提供了一種解決方式，并且對(duì)于家庭生活和辦公樓宇而言達(dá)到了方便快捷的目的，對(duì)于綜合管理人員達(dá)到高效安全目的。文中提出了一種Zigbee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)與LED節(jié)能燈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的亮度進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制的功能，詳細(xì)的介紹了軟硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 Zigbee無(wú)線技術(shù)

Zigbee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間無(wú)線通信技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，這就確定了可以再不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。Zigbee兼容的產(chǎn)品工作在2.4 GHz這個(gè)全球通用的免費(fèi)開放頻段，這個(gè)頻段提供了16個(gè)傳輸信道，每次通信都會(huì)自主選擇一個(gè)最干凈干擾最小的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)層方面，可以采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)洌鶕?jù)節(jié)點(diǎn)的不同功能，可分為中央?yún)f(xié)調(diào)器Coordinator，路由節(jié)點(diǎn)Router和終端節(jié)點(diǎn)FFD。 在這3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在星型網(wǎng)絡(luò)中不易實(shí)現(xiàn)Zigbee的高級(jí)特色功能，即路由功能的，每個(gè)Zigbee設(shè)備只能和PANC直接通訊。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是最復(fù)雜的，允許路由，而且路由的路徑是自動(dòng)計(jì)算出來(lái)的最佳路徑，而且網(wǎng)絡(luò)建立后，任何一個(gè)設(shè)備失效，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備會(huì)重新計(jì)算路由的路徑，使得不影響網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備正常通訊。所以本系統(tǒng)采用的是樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)功能[1]。

1.1 Zigbee的優(yōu)點(diǎn)與特性

1）低功耗是Zigbee技術(shù)最具優(yōu)勢(shì)的地方。在通信狀態(tài)，Zigbee終端耗電在幾十毫瓦左右，在省電模式下，耗電僅僅幾十μW，相當(dāng)有一節(jié)干電池可以工作近一年。

2）可靠性：采用避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，傳遞的信息在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3）網(wǎng)絡(luò)容量大：在同一個(gè)WPAN上，可以存在65 536個(gè)ZigBee裝置，彼此可通過(guò)多重跳點(diǎn)的方式傳遞信息，而且具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈功能。

4）有效范圍大：有效范圍在10～75 m之間，如果前置功放可以達(dá)到1 000 m的通信距離。

5）成本低：Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單且免收專利費(fèi)，所以降低成本。

1.2 Zigbee無(wú)線組網(wǎng)原理

在網(wǎng)絡(luò)層中，ZigBee定義了3種角色：第一個(gè)是中央?yún)f(xié)調(diào)器（Coordinator），負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，以及分配網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)地置；第二個(gè)是路由器（Router），主要負(fù)責(zé)查找網(wǎng)絡(luò)、建立以及修復(fù)數(shù)據(jù)的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)，路由器可以與協(xié)調(diào)器通信，也可以與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，路由之間也可以進(jìn)行通信；第三個(gè)是終端節(jié)點(diǎn)（FFD），只能選擇加入已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以與路由器進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，不具備路由功能。通信圖解如圖1所示。

圖1 通信圖解Fig.1 Communication diagram

工作原理：系統(tǒng)中每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)或路由器分別控制一盞燈或多盞燈，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)有單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)地址，手持控制終端通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送命令到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的命令通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方法可分為兩種：類比和脈沖寬度調(diào)變（PWM）。采用類比調(diào)光技術(shù)時(shí)，只需將白光LED的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%。這種方法的缺點(diǎn)是LED光色會(huì)移動(dòng)，且需要類比控制訊號(hào)，所以本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光技術(shù)。PWM調(diào)光技術(shù)會(huì)提供完整電流給白光LED，但會(huì)減少電流負(fù)載周期，進(jìn)而達(dá)成調(diào)光的要求，例如要將亮度減半，只需50%的負(fù)載周期提供完整電流。 PWM訊號(hào)頻率通常會(huì)超過(guò)100 Hz，確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)被眼睛察覺，PWM頻率的最大值需視電源供應(yīng)的啟動(dòng)和反應(yīng)時(shí)間而定；為了得到最大彈性，同時(shí)讓整合更簡(jiǎn)單，白光LED驅(qū)動(dòng)器最高應(yīng)能接受50 kHz的PWM頻率。

硬件系統(tǒng)是由LED燈驅(qū)動(dòng)模塊、LED電源驅(qū)動(dòng)模塊和Zigbee無(wú)線傳輸模塊等組成。硬件電路邏輯框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路邏輯框圖Fig.2 Hardware circuit logic diagram

LED燈驅(qū)動(dòng)部分采用PT4207驅(qū)動(dòng)芯片，PT4207是一款高壓降壓式LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆LED燈，其輸入電壓范圍為20～450 V，可以實(shí)現(xiàn)在85～265 VAC范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠的工作，并保證系統(tǒng)的高效能。同時(shí)內(nèi)置的輸入電壓補(bǔ)償功能極大地改善了不同輸入電壓下LED電流的穩(wěn)定性。PT4207還具有負(fù)載短路保護(hù)、開路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等功能。其專用調(diào)光管腳可直接接受PWM脈沖調(diào)光，將PWM信號(hào)加到DIM腳。PWM信號(hào)低電平要小于0.35 V，高電平在2.5～5 V之間，為達(dá)到較好調(diào)光效果，PWM信號(hào)脈沖頻率最好小于最低工作頻率的1%。簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 PT4207的驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.3 PT4207 drive principle diagram

Zigbee無(wú)線通信模塊主要采用CC2530。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有32/64/128/256KB四種不同的閃存版本，本系統(tǒng)采用的是256KB閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。 本系統(tǒng)是通過(guò)改變PWM輸出進(jìn)而改變燈光亮度，CC2530的定時(shí)器1是一個(gè)16位定時(shí)器，具有定時(shí)器/PWM功能。它有一個(gè)可編程的分頻器，一個(gè)16位周期值，和五個(gè)各自可編程的計(jì)數(shù)器/捕獲通道，每個(gè)都有一個(gè)16位比較值。一個(gè)16位捕獲寄存器也用于記錄收到/發(fā)送一個(gè)幀開始界定符的精確時(shí)間，或傳輸結(jié)束的精確時(shí)間，還有一個(gè)16位輸出比較寄存器可以在具體時(shí)間產(chǎn)生不同的選通命令（開始RX，開始TX，等等）到無(wú)線模塊。每個(gè)計(jì)數(shù)器捕獲通道可以用作一個(gè)PWM輸出或捕獲輸入信號(hào)邊沿的時(shí)序。定時(shí)器2是專門為支持IEEE 802.15.4 MAC或軟件中其他時(shí)槽的協(xié)議設(shè)計(jì)。定時(shí)器3和定時(shí)器4是8位定時(shí)器，具有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)環(huán)境選擇 IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A作為 Zigbee開發(fā)的IDE。在TI Z Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC編寫上位機(jī)程序。Z Stack提供了豐富的調(diào)試函數(shù)調(diào)試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序。協(xié)調(diào)器是第一級(jí)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建好后會(huì)分配節(jié)點(diǎn)ID地址，協(xié)調(diào)器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，如圖4是協(xié)調(diào)器的工作流程圖。

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程圖Fig.4 Flow chart of controller work

以下擴(kuò)展到第2級(jí)、第3級(jí)甚至多級(jí)，只要在同一網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)器接收命令同時(shí)將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點(diǎn)，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)命令，也可以通過(guò)路由器發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，由終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)命令。如圖5是路由器（包含終端節(jié)點(diǎn)）工作流程圖。

圖5 路由器（包含終端節(jié)點(diǎn)）工作流程圖Fig.5 Flow chart of router（include terminal node） work

4 功能實(shí)現(xiàn)

控制終端是一手持遙控器，遙控器內(nèi)設(shè)置了無(wú)線收發(fā)模塊，在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)將遙控器加入網(wǎng)絡(luò)，遙控器會(huì)自動(dòng)識(shí)別每一節(jié)點(diǎn)的ID地址，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)控制。可以對(duì)單個(gè)燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，即向單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到遙控器中，對(duì)這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的燈光控制。

5 結(jié) 論

通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈光的無(wú)線控制，解決了家庭內(nèi)部網(wǎng)布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、價(jià)格高、功耗高和通信范圍存在盲區(qū)等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了家庭住宅或者辦公場(chǎng)所的無(wú)線通訊，所構(gòu)建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開發(fā)方便，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，而且通過(guò)手持遙控器進(jìn)行控制給人們帶來(lái)了便利。由于國(guó)家大力推行使用LED節(jié)能照明燈，所以Zigbee無(wú)線燈光控制方面具有廣闊的市場(chǎng)，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到智能家居中對(duì)家用電器進(jìn)行無(wú)線控制，甚至遠(yuǎn)程無(wú)線控制。基于Zigbee技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，其在物聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)展空間會(huì)很大，尤其是學(xué)校的宿舍，教學(xué)樓，圖書館或者食堂。

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