基于CC2530的ZigBee無線節(jié)能LED燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

段五星 陳偉全

摘 要：針對傳統(tǒng)照明電路布線復(fù)雜，成本高，節(jié)能效率低的問題，提出LED燈光無線調(diào)節(jié)系統(tǒng)。基于CC2530芯片，設(shè)計了點對點Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED燈光遙控器和調(diào)節(jié)器；利用LM7805和LM7812組成的直流穩(wěn)壓電源，完成了采用PWM方式控制的LED驅(qū)動器的設(shè)計；基于Z-stack協(xié)議棧，在IAR軟件平臺上完成了整個系統(tǒng)的無線串口通信、調(diào)試。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定性高，無線傳輸距離遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)效果好，實用性強(qiáng)的特點。

關(guān)鍵詞：CC2530；Zigbee；LED燈光調(diào)節(jié)；PWM

中圖分類號：TP276 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

ZigBee Wireless Energy-saving LED Light-regulating System Design

Based on CC2530

Duan Wuxing1 Chen Weiquan2

（1.Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College Zengcheng District，Guangzhou 511325，China ； 2.Huali College Guangdong University of Technology， Guangdong Guangzhou，511325， China）

Abstract： The traditional lighting circuit has problems of complex cabling， high cost， low energy-saving， so establish the LED light-regulating system. Firstly， design the LED light remote controller and regulator， which have a point-to-point wireless topological structure， based on CC2530， then using the direct current voltage-stabilized supply consisted of LM7805 and LM 7812 to complete the LED drive circuit with the PWM control method， at last， realize the wireless series communication and debugging on the IAR software platform based on Z-stack protocol stack. The tests represent that the system has a trait of stabilization， remote wireless communication， accurate regulation and practical function.

Key words： CC2530； ZigBee； LED； PWM

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，以及節(jié)能意識的增強(qiáng)，人們在日常生活中越來越注重節(jié)約能源，節(jié)約用電是其中重要的方面。最近幾年出現(xiàn)的LED具有效率高，壽命長等優(yōu)勢，是下一代照明的主力軍。在家居，辦公室，醫(yī)院，汽車尾燈顯示燈等場合，LED的利用率越來越高，同時，隨著人們對節(jié)能化、健康化、藝術(shù)化和人性化需求的增多，對LED燈光調(diào)節(jié)要求越來越多。因此，利用高性價比芯片，設(shè)計相應(yīng)嵌入式無線節(jié)能LED燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有很重要的現(xiàn)實意義[1]。

本文設(shè)計了一種采用CC2530芯片控制的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，并通過設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)便于控制，消除傳統(tǒng)綜合布線的線材費用，實現(xiàn)高效節(jié)能功效。

1 ZigBee技術(shù)及CC2530新特點

ZigBee技術(shù)是以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的雙向無線通信技術(shù)，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段范圍廣的技術(shù)特點，在智能家居、樓宇自動化、傳感網(wǎng)絡(luò)及節(jié)能調(diào)光等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。

CC2530是TI公司針對2.4GHz ISM頻帶而推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、高性能射頻收發(fā)器，在接受和發(fā)送模式下，電流消耗分別為24mA和29mA。其硬件具有設(shè)計簡單，封裝小，功耗低，無線傳輸穩(wěn)定的特點，非常適合節(jié)能LED燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制要求[2]。

2 PWM燈光調(diào)節(jié)技術(shù)

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出來對模擬進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，通過高分辨率計數(shù)器的使用，改變PWM的占空比，調(diào)整LED燈的導(dǎo)通關(guān)閉時間，從而控制LED燈的亮度。圖1中A是一個占空比是10%的PWM的輸出，即在信號周期中，LED燈10%的時間導(dǎo)通，90%的時間關(guān)斷，B和C顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出，分別對應(yīng)LED燈的亮度為額定亮度的10%，50%和90%。實際中為了保證LED燈在輪流導(dǎo)通關(guān)斷的過程中不閃光，要求調(diào)制頻率在1kHz到200kHz之間[3]。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器Coordinator、路由節(jié)點， LED驅(qū)動器和電源，其中Coordinator作為遙控器，負(fù)責(zé)向多個路由節(jié)點發(fā)送控制LED燈光調(diào)節(jié)信息，路由節(jié)點收到信息后，向各自對應(yīng)的驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的亮度信號，驅(qū)動器在電源供電的情況下完成LED燈光調(diào)節(jié)。具體組成如下：

Coordinator由矩陣鍵盤和一片CC2530芯片構(gòu)成，其中矩陣鍵盤用于控制系統(tǒng)的開關(guān)和調(diào)節(jié)LED燈的亮度，CC2530芯片主要充當(dāng)發(fā)射器的功能。

路由節(jié)點由一片CC2530組成，一方面用于產(chǎn)生PWM信號以便對LED燈光強(qiáng)度進(jìn)行控制，另一方面主要充當(dāng)接受器的功能，接受發(fā)射器發(fā)送的信號，并將狀態(tài)通過無線通信反饋給遙控器。

驅(qū)動器主要由TP4115芯片和LED燈組成，其中TP4115主要作為驅(qū)動，提供LED驅(qū)動電流，并完成LED燈光的亮度調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

4.1 電源電路設(shè)計

4.2 CC2530接口電路設(shè)計

作為協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點核心硬件的CC2530，其不僅是控制消息收發(fā)的控制中心，還是外圍設(shè)備的管控中心。CC2530的接口電路根據(jù)其所屬節(jié)點在照明設(shè)備控制系統(tǒng)中角色的不同而異[4]。具體設(shè)計如下圖：RESET-N引腳作為協(xié)調(diào)器的服務(wù)信號引腳，RF-P、RF-N作為協(xié)調(diào)器射頻收發(fā)端口，負(fù)責(zé)消息的無線傳輸。協(xié)調(diào)器系統(tǒng)的主振蕩器則采用32MHz的晶振，晶體分別接X0SC-Q1與XOSC-Q2端口。

4.3 復(fù)位電路設(shè)計

該電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運行時用戶的按鍵復(fù)位功能，有助于用戶調(diào)試程序。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位[5]。復(fù)位電路如圖5所示。RESET_LN腳在CC2530芯片上的引腳號為 20，復(fù)位時活動到低電平。

上電復(fù)位的情況：通電瞬間電容可以當(dāng)短路，所以RESET_LN腳為低電平。隨著時間的飛逝（電容充電），穩(wěn)定后+5V的電壓實際上是加在電容C23上的。電容上極板也就是RESET_LN腳最終為高電平。這樣，引腳RESET_LN持續(xù)一段低電平后，最終穩(wěn)定在高電平，低電平持續(xù)時間由RC時間常數(shù)決定。按鍵按下去就相當(dāng)于上電那一瞬，讓電容短路。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 平臺搭建

本系統(tǒng)中所用CC2530的內(nèi)核采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)，所以采用IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境，其中集合的高度優(yōu)化的代碼編譯器、AVRIAR匯編器、連接定位器、項目管理器以及調(diào)試器，非常適用于基于CC2530和Z-Stack協(xié)議棧的軟件系統(tǒng)開發(fā)[6]。

5.2 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要由硬件Coordinator和照明設(shè)備控制終端共同構(gòu)建無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，完成消息的無線收發(fā)，具體通信過程如下：

當(dāng)設(shè)備節(jié)點上電后首先檢查是否為協(xié)調(diào)器Coordinator，是則首先建立無線網(wǎng)絡(luò)，隨后進(jìn)入偵聽監(jiān)測狀態(tài)。當(dāng)Coordinator檢測到有無線消息事件發(fā)生時，首先判斷消息類型，如果是加入網(wǎng)絡(luò)請求，則按照協(xié)議為此節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址；如果不是協(xié)調(diào)器節(jié)點，則先申請加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后進(jìn)入時間檢測，否則繼續(xù)申請加入。如果是亮度調(diào)節(jié)信號，則根據(jù)設(shè)定的亮度值，進(jìn)行PWM輸出。如果是關(guān)機(jī)信號，則停止輸出PWM信號，系統(tǒng)停止。軟件開發(fā)主要步驟流程圖如8所示。

6 控制系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包含兩個方面：一是無線通信性能測試；二是開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)測試。

6.1 無線通信性能測試

無線通信性能主要通過LQI值進(jìn)行判別。LQI（Link Quality Indicator）即鏈路質(zhì)量指示，表示收到數(shù)據(jù)包的強(qiáng)度和質(zhì)量。LQI值的范圍在0到255之間，數(shù)值越大，通信質(zhì)量越好，一般要求LQI在30以上。LQI值定義在AF.h文件中的結(jié)構(gòu)體中，在終端節(jié)點接受到發(fā)送的信號時，隨狀態(tài)值一起發(fā)送到Coordinator，并通過串口助手進(jìn)行查看。

通過多次測試，遙控器和調(diào)節(jié)器在1米通信距離且無阻擋的情況下，LQI維持在180，沒有信號延遲；遙控器和調(diào)節(jié)器相隔1堵墻或者60米以上時，鏈路質(zhì)量在50左右，信號延時在100ms左右。能夠滿足該系統(tǒng)的實際需求。

6.2 LED燈亮度調(diào)節(jié)測試

7 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于CC2530的Zigbee節(jié)能LED燈管調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；針對市電220V電壓，設(shè)計了12V和5V的直流穩(wěn)壓電源；整合復(fù)位電路，接口電路，天線電路，LED燈驅(qū)動電路，完成了硬件電路的連接；基于IAR軟件開發(fā)平臺，通過軟件流程設(shè)計，系統(tǒng)配置和編程，實現(xiàn)了遙控器和調(diào)節(jié)器的無線網(wǎng)絡(luò)連接，并成功完成對LED燈光調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的無線通信性能良好，傳輸距離較遠(yuǎn)，跨障礙能力較高，同時，良好的LED燈光調(diào)節(jié)效果，展示了較好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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