基于ZigBee的智能LED路燈控制系統設計

摘 要：文章詳細介紹了一種新型的基于ZigBee的智能LED路燈控制系統，它通過PWM（Pulse-Width Modulation）調光技術分時段對路燈進行光照強度的調節，區別于傳統路燈的亮滅兩種狀態。其中，系統的路由節點和協調器節點選用TI公司的CC2430芯片作為光照數據采集處理的節點硬件平臺。

關鍵詞：ZigBee；LED路燈；PWM；CC2430

引言

文章設計的智能路燈控制系統的路由節點和協調器節點選用TI公司的CC2430芯片作為光照數據采集處理的硬件平臺，并且具體討論了采用CC2430芯片LED路燈照明系統的設計方案。該方案實現了無線智能化亮度可調的照明技術和系統運行過程中對其實時監控的功能。文章對基于ZigBee的智能LED路燈控制系統進行了整體的設計，分別實現系統的節點硬件和軟件的具體功能[1]。

1 系統的方案設計

基于ZigBee協議的智能LED路燈控制系統可以分為三個部分：

（1）終端控制：控制中心利用上位機軟件對系統進行整體監控，實時監控路燈運行狀態和接收采集到的信息。

（2）遠端接入：由GPRS與ZigBee協調器共同組成，控制中心通過 Internet 發出的控制信號由GPRS接收后轉為ZigBee信號傳輸至每盞路燈[2]。路燈網絡上傳至網關的各種參數信息也由GPRS發送至控制中心。

（3）單燈控制：每盞路燈都裝有基于ZigBee的無線路燈控制器，它們一方面接收協調器發出的ZigBee信號并執行相應的操作，另一方面采集電流、電壓、光照度等信息傳輸至控制中心，并可以根據需求產生PWM信號至LED驅動來調節路燈的亮度。

系統方案設計框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 LED驅動電路設計

該系統選用HV9911芯片來設計變壓電路來驅動LED，HV9911是一款高電壓PWM LED驅動控制芯片，而且不需要額外的電壓，因為它有一個9V-250V DC的輸入電壓穩壓器，可以由單一輸入電壓提供工作電源。

圖2為利用HV9911芯片設計的LED驅動電路。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信號來調節HV9911輸出電流的占空比。PWM調光原理：利用PWM信號的不同占空比來控制LED的通斷時間，從而改變流過LED路燈的平均電流，達到調光的效果。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，此時引腳6的輸出值應該是R1兩端的電壓。采用小阻值電阻R1產生的電壓對LED 電流進行采樣，將采樣的小阻值電阻串聯到LED 電流回路中，由于阻值非常小，它對LED 的回路電流造成的影響可忽略不計。

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，會使得測量的數值不精確，因此選擇光電三極管。光電三極管隨著光照強度的不斷變化，其阻值也會隨之發生變化，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 硬件的總體設計

圖5是CC2430硬件節點電路，其硬件系統主要包括：CC2430主控芯片、32M系統時鐘、供電接口、調試接口和天線。其中C1和C4是晶振的負載電容，C5、C11、C12為去耦合電容，對電源進行濾波來提高芯片的穩定性；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非平衡變壓器，該結構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環境亮度的采集[4]。

3 智能LED路燈控制系統的軟件設計

文章采用Microsoft的Visual Studio2010開發平臺，并通過C#語言開發上位機的監控軟件。實驗室條件下設計的2路燈上位機監控軟件主界面如圖6所示。

系統工作時首先進行界面的初始化，將路燈1、2的顯示界面關閉，然后等待用戶去設置串口，以及按下開啟監控按鍵。如果用戶按下按鍵后串口不存在，則彈出錯誤重新選擇串口號。如果配置正確將會等待ZigBee 協調器發送數據，收到數據后通過程序區別路燈1與路燈2，將會顯示在主界面上，主要有路燈狀態、路燈亮度、LED路燈電壓、環境亮度等級、時間以及雷達監測狀況。

4 結束語

文章除了使用ZigBee無線傳感器網絡來實現路燈控制系統的無線通信外，還要實現燈的智能控制，采用照度傳感器觸發和上位機實時控制的方式來控制路燈的開啟、關閉和自動亮度調節。系統預先設置不同的場景模塊，利用PWM占空比可調來實現不同的照明需求時段自動調入所需的場景。本系統還使用了LED作為光源，在提高系統的信息化、智能化的同時，還大大降低了電能的消耗，符合國家綠色發展和節能減排的需要。

參考文獻

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

[2]李旭亮，鄧國強.基于ZigBee+ GPRS智能控制的LED路燈綠色照明低碳經濟新技術[J].照明工程學報，2010，21（Z1）：78-81.

[3]魯進，郭利進.基于ZigBee的LED路燈照明系統設計與研究[J].微型機與應用，2013，

32（9）：78-80.

[4]陳曉艷，高偉，秦歡，等.基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能監控系統設計[J].電子測量技術，2013（10）：62-66.