基于ZigBee網絡的LED調光燈具的設計

于東東

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

隧道建設對于我國改善道路交通現狀，實現經濟建設的平穩快速發展具有重要意義[1]。隧道智能照明控制系統作為隧道建設的關鍵技術環節，也日益受到更多的關注。在隧道智能照明控制系統中，隧道的照明強度能夠根據洞外亮度、車流量以及車速進行實時調節[2]，這就要求隧道照明的燈具具有良好的調光性能，能夠接收到中控機發出的調光指令，實現光照強度的平穩調節。

LED燈具與傳統的熒光燈、高壓鈉燈等不同，其亮度能夠在0～100%之間自由平滑的調節，并不影響其使用壽命，而且調節控制方法簡單有效[3]。再加上LED燈具本來在節能方面的巨大優勢，使得LED燈具在現代隧道照明當中應用的越來越廣泛。但現在在隧道照明當中應用的LED燈具的布置和控制方式往往還按照以往對于高壓鈉燈的布置和控制方式來進行[4]，根本發揮不出LED本身所存在的優勢，所以設計一款高效、節能、易于控制的LED燈具就顯得很重要。

本文根據隧道智能照明控制系統對于燈具的要求，設計了一款基于ZigBee無線網絡技術，可以利用PWM技術進行無級調光的LED燈具。

1 總體設計

根據設計要求，我們可以得到如圖1所示的LED燈具的電路結構圖。220 V市電先經過EMI濾波電路后經過整流電路變為直流電，然后經過功率校正電路來提高電源的功率因數，防止對電網造成諧波干擾。燈具模塊中具有的無線通信ZigBee模塊可以將所有LED燈具組成一個無線網絡，每一個LED燈具都可以接受到主控制器發送的調光控制指令，經過PWM模塊施加到LED的驅動電路上，來平滑地改變LED燈具的亮度，實現調光控制[5]。

圖1 LED燈具結構圖Fig.1 Structure diagram of LED lamp

2 系統硬件設計

2.1 前級電路

根據LED燈具對于直流驅動電流的要求，LED燈具的前級電路主要包括EMI整流電路、橋式整流電路以及功率因數校正電路，具體的電路如圖2所示。

濾波電路中電阻起到過壓保護的作用，C1、C2、L1、L2組成的濾波電路有效地抑制了電磁干擾，同時也使LED燈具產生的電磁干擾不會影響到電網。由4個二極管組成的橋式整流電路將交流電轉換成直流電，同時通過C3進行高頻噪聲的濾波。功率因數校正電路以L6561控制器為核心，整流電路輸出電壓經過R9、R10分壓器采樣，通過L6561升壓變換得到直流輸出電壓。整個電路在L6561的控制下，使得整流二極管的導通角幾乎為180度，能夠與交流的輸入電壓保持相同的相位，從而將功率因數提高到接近于1。同時，該電路還起到了高功率因數的開關電源的作用[6]。

圖2 前級電路圖Fig.2 The former circuit

2.2 LED驅動電路

LED的驅動控制模塊采用的是TI公司開發的LM3407芯片，它是集成了N溝道功率MOS場效應管的脈沖寬度調制的浮動式降壓轉換器，可以直接控制平均負載電流，專門用于大功率的LED顆粒的恒流控制，非常適合作為隧道照明控制系統中LED燈具的驅動電路使用。本文設計了基于LM3407的一個LED驅動電路的實例，它能夠提供350 mA的恒定電流來驅動6個串聯的LED燈組[7]。基于LM3407的LED驅動電路如圖3所示。

圖3 LED驅動電路Fig.3 LED drive circuit

在此電路中可以通過調整電阻RISNS1和RISNS2來調整該驅動電路的輸出電流，默認情況下兩個電阻的取值都為1.13 Ω，最終可以使得整個電路的輸出電流為350 mA。整個電路開關頻率的調節是通過設定電阻RFS的阻值來實現的，可以靈活的將驅動電路的開關頻率設定在300 kHz到1 MHz之間。為了獲得較為恒定的電流輸出，LM3407需要工作在連續傳導模式下。為此，我們應該使得電感器的紋波電流的幅值能夠盡可能的小。在此應用下，電感器的默認值是33 μH。

在一般情況下，我們可以將脈沖信號施加到DIM腳，這樣就可以周期性地啟動和禁止LM3407，從而控制輸出電流，達到對LED陣列調光的目的。

2.3 ZigBee模塊

無線通信模塊采用的是基于ZigBee技術的CC2430芯片，它是真正的系統芯片CMOS解決方案。該解決方案能夠滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，同時滿足低成本、低功耗的要求。通過添加ZigBee模塊，使得LED燈具具有無線組網功能，能夠將LED燈具作為終端節點接入整個隧道照明控制系統當中。無線網絡不但能夠將LED燈具的電流、電壓等信息實時地傳遞給后臺服務器，同時能夠根據隧道運行參數動態地向LED燈具發出相應的調光指令，調節隧道照明亮度[8]。CC2430及其外圍電路如圖4所示。

2.4 PWM模塊

PWM波形的產生芯片采用Silicon General公司生產的SG3525。它是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片。它簡單可靠，使用靈活方便，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力。內部的欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器具有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。PWM模塊及其外圍電路如圖5所示。

3 結束語

文中設計了一款基于ZigBee無線網絡，能夠進行PWM調光的LED燈具，通過對燈具每個模塊的具體分析與設計，使得該款LED燈具能滿足隧道智能照明控制系統的要求，能夠廣泛地應用于隧道智能照明控制系統中，具有較高的市場利用價值。

圖4 CC2430及其外圍電路Fig.4 CC2430 circuit

圖5 SG3525及其外圍電路Fig.5 SG3525 circuit

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