基于ZigBee的智能LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章詳細(xì)介紹了一種新型的基于ZigBee的智能LED路燈控制系統(tǒng)，它通過PWM（Pulse-Width Modulation）調(diào)光技術(shù)分時(shí)段對(duì)路燈進(jìn)行光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，區(qū)別于傳統(tǒng)路燈的亮滅兩種狀態(tài)。其中，系統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用TI公司的CC2430芯片作為光照數(shù)據(jù)采集處理的節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；LED路燈；PWM；CC2430

引言

文章設(shè)計(jì)的智能路燈控制系統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用TI公司的CC2430芯片作為光照數(shù)據(jù)采集處理的硬件平臺(tái)，并且具體討論了采用CC2430芯片LED路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案實(shí)現(xiàn)了無線智能化亮度可調(diào)的照明技術(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。文章對(duì)基于ZigBee的智能LED路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的具體功能[1]。

1 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee協(xié)議的智能LED路燈控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：

（1）終端控制：控制中心利用上位機(jī)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈運(yùn)行狀態(tài)和接收采集到的信息。

（2）遠(yuǎn)端接入：由GPRS與ZigBee協(xié)調(diào)器共同組成，控制中心通過 Internet 發(fā)出的控制信號(hào)由GPRS接收后轉(zhuǎn)為ZigBee信號(hào)傳輸至每盞路燈[2]。路燈網(wǎng)絡(luò)上傳至網(wǎng)關(guān)的各種參數(shù)信息也由GPRS發(fā)送至控制中心。

（3）單燈控制：每盞路燈都裝有基于ZigBee的無線路燈控制器，它們一方面接收協(xié)調(diào)器發(fā)出的ZigBee信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的操作，另一方面采集電流、電壓、光照度等信息傳輸至控制中心，并可以根據(jù)需求產(chǎn)生PWM信號(hào)至LED驅(qū)動(dòng)來調(diào)節(jié)路燈的亮度。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用HV9911芯片來設(shè)計(jì)變壓電路來驅(qū)動(dòng)LED，HV9911是一款高電壓PWM LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，而且不需要額外的電壓，因?yàn)樗幸粋€(gè)9V-250V DC的輸入電壓穩(wěn)壓器，可以由單一輸入電壓提供工作電源。

圖2為利用HV9911芯片設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路。J1A和J1B為電壓輸入引腳，其輸入范圍為130V～250V DC。J2A、J2B為輸出引腳，輸出電壓范圍是20V～100V DC。可以通過J3C腳輸入PWM信號(hào)來調(diào)節(jié)HV9911輸出電流的占空比。PWM調(diào)光原理：利用PWM信號(hào)的不同占空比來控制LED的通斷時(shí)間，從而改變流過LED路燈的平均電流，達(dá)到調(diào)光的效果。若PWM的脈沖寬度為ton，脈沖周期為T，則其占空比D=ton/T，改變占空比D的大小就可以改變LED的亮度了。

2.2 電壓電流采集模塊

如圖3，將R1電阻兩端分別接端口±IN，然后按照要求連接芯片的外圍電路，此時(shí)引腳6的輸出值應(yīng)該是R1兩端的電壓。采用小阻值電阻R1產(chǎn)生的電壓對(duì)LED 電流進(jìn)行采樣，將采樣的小阻值電阻串聯(lián)到LED 電流回路中，由于阻值非常小，它對(duì)LED 的回路電流造成的影響可忽略不計(jì)。

2.3 光照度采集模塊

由于光敏電阻的線性比光電三極管要差，會(huì)使得測量的數(shù)值不精確，因此選擇光電三極管。光電三極管隨著光照強(qiáng)度的不斷變化，其阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而引起電路電流的變化[3]。基極的光電流通過ADC通道連接CC2430芯片的P0.7端口。包含光電三極管的光照度采集電路如圖4所示。

2.4 硬件的總體設(shè)計(jì)

圖5是CC2430硬件節(jié)點(diǎn)電路，其硬件系統(tǒng)主要包括：CC2430主控芯片、32M系統(tǒng)時(shí)鐘、供電接口、調(diào)試接口和天線。其中C1和C4是晶振的負(fù)載電容，C5、C11、C12為去耦合電容，對(duì)電源進(jìn)行濾波來提高芯片的穩(wěn)定性；R4、R5為偏置電阻，為32M晶振提供合適的工作電流。電感L1、L2、L3和電容C10以及微波傳輸線組成一個(gè)非平衡變壓器，該結(jié)構(gòu)符合輸入輸出匹配阻抗的要求。其中，ADC通道P0.7連接光電三極管用于對(duì)環(huán)境亮度的采集[4]。

3 智能LED路燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

文章采用Microsoft的Visual Studio2010開發(fā)平臺(tái)，并通過C#語言開發(fā)上位機(jī)的監(jiān)控軟件。實(shí)驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)的2路燈上位機(jī)監(jiān)控軟件主界面如圖6所示。

系統(tǒng)工作時(shí)首先進(jìn)行界面的初始化，將路燈1、2的顯示界面關(guān)閉，然后等待用戶去設(shè)置串口，以及按下開啟監(jiān)控按鍵。如果用戶按下按鍵后串口不存在，則彈出錯(cuò)誤重新選擇串口號(hào)。如果配置正確將會(huì)等待ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后通過程序區(qū)別路燈1與路燈2，將會(huì)顯示在主界面上，主要有路燈狀態(tài)、路燈亮度、LED路燈電壓、環(huán)境亮度等級(jí)、時(shí)間以及雷達(dá)監(jiān)測狀況。

4 結(jié)束語

文章除了使用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)路燈控制系統(tǒng)的無線通信外，還要實(shí)現(xiàn)燈的智能控制，采用照度傳感器觸發(fā)和上位機(jī)實(shí)時(shí)控制的方式來控制路燈的開啟、關(guān)閉和自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置不同的場景模塊，利用PWM占空比可調(diào)來實(shí)現(xiàn)不同的照明需求時(shí)段自動(dòng)調(diào)入所需的場景。本系統(tǒng)還使用了LED作為光源，在提高系統(tǒng)的信息化、智能化的同時(shí)，還大大降低了電能的消耗，符合國家綠色發(fā)展和節(jié)能減排的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]申利民，翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區(qū)LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國照明電器，2011（2）：26-29.

[2]李旭亮，鄧國強(qiáng).基于ZigBee+ GPRS智能控制的LED路燈綠色照明低碳經(jīng)濟(jì)新技術(shù)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（Z1）：78-81.

[3]魯進(jìn)，郭利進(jìn).基于ZigBee的LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，

32（9）：78-80.

[4]陳曉艷，高偉，秦歡，等.基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013（10）：62-66.