基于ZigBee的智能LED照明系統

蘇楚怡++黃金旭++劉灼權++孫魯

摘 要：傳統照明系統存在布線復雜、節能效果差、不易智能控制等缺點，文中介紹了利用物聯網技術開發的智能LED照明系統，該系統具備可組網控制、上報環境亮度、自動調節亮度等功能。系統以CC2530作為主控芯片，結合TI推出的Z-Stack協議棧實現各照明節點的無線組網，并根據測量的環境照度進行亮度自動調節，具有易于控制、布線簡單、節約能源等優點。

關鍵詞：LED照明；組網控制；亮度調節；節能

中圖分類號：TP212；TM923 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的飛速發展，照明技術開始進行智能化改造。無線傳感器網絡技術作為物聯網技術重要的組成部分，為智能照明的實現提供了可能。以往的聲控、光控雖然為照明提供了自動控制技術，但卻未實現真正的智能照明。現代智能照明讓照明設備的管理和使用無線化，擺脫開關、電線的局限。這種新的照明控制理念決定了無線通信技術在智能照明中的重要性。

目前，LED照明已逐漸成為主流、成熟的照明方式，然而在智能技術與LED照明技術融合方面還存在許多未被開發的領域，因此，對LED領域的智能技術開發勢必引領LED照明技術走向更具有經濟效益與實用價值的未來。

為了改進傳統照明系統存在的布線復雜、節能效果差、不易智能控制等缺點，我們設計了一個基于ZigBee的智能照明系統，利用高可靠性的LED光源，配合具備網絡結構優勢的ZigBee物聯網技術實現智能LED照明系統，將照明功能與監控功能合二為一，并為下一步擴展更多的監控功能留下空間，這不僅符合智能制造的趨勢，更響應了國家節能減排的要求。通過智能控制提升產品的附加價值，如自動調光，定時控制，情景照明等，能很大程度上節約能源并提升用戶的使用體驗。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度的雙向無線通信技術，主要用于距離短、功耗低、傳輸速率不高的電子設備之間進行數據傳輸，且具有低功耗、低成本、大容量、短時延、高可靠性以及靈活的網絡拓撲結構等特點[1]。從技術性能來看，ZigBee具有低功耗、短延時、短距離、高安全、低速率、覆蓋范圍廣、網絡容量大等特點與廉價的市場定位，非常適合應用在照明系統中。ZigBee技術網絡包含三種網絡拓撲結構，即星型結構、樹狀結構和網狀結構。

（1）星型拓撲結構包含一個協調器和多個終端，沒有路由；

（2）樹狀拓撲結構是一個協調器和終端距離比較遠，需要加路由的星型網；

（3）在網狀拓撲結構中，協調器、路由、終端都可以通信[2]。

2 智能照明系統組成及原理

本系統按照網絡結構可分為3大部分，即控制中心、數據采集與收發、照明節點，整體結構如圖1所示。

2.1 控制中心

控制中心由協調器和上位機組成。

2.1.1 協調器

協調器負責建立ZigBee網絡、分配網絡地址，并將收到的光照數據通過串口方式傳送至上位機，把上位機下發的指令通過ZigBee網絡發送至各路由器節點。該部分基于支持Z-Stack協議棧的CC2530芯片進行設計，搭載無線PA電路，大大增強了無線傳輸的距離，以較低的成本構建了強大、穩定的ZigBee網絡。上位機與協調器的連接如圖2所示。

2.1.2 上位機

上位機包含數據查看（Check）和指令下發（Send）兩大功能，用戶可根據需求查看相應樓層的光照數據，并根據需要下發相應的指令（開關），該部分采用基于ARM Cortex-M4內核的STM32芯片設計，搭載4.7英寸電容觸摸屏，結合μCOS-Ⅲ實時性嵌入式操作系統。μCOS是一個可基于ROM運行（ROMable）的、可裁剪的、搶占式實時多任務內核，具有高度可移植性，適用于微處理器和微控制器[3]，同時引入了emWin圖形庫，友好的人機交互界面極大地提升了用戶體驗。人機交互界面如圖3所示。

2.2 數據采集與收發

數據采集與收發模塊由路由器節點和光照傳感器組成。

路由器基于CC2530和無線PA設計，主要作為終端照明節點的父設備，將來自協調器的指令傳送給各終端節點和把采集到的外界光照數據通過ZigBee網絡無線傳輸至協調器。由于路由器掛載光照傳感器BH1750，它將根據采集到的外界光照，通過優化后的算法，發送合適的PWM數值指令至終端節點，終端節點輸出對應的PWM信號調節亮度。ZigBee網絡中協調器、路由器、終端的關系如圖4所示。BH1750與路由器節點的電路連接如圖5所示。

2.3 照明節點

照明節點由終端節點和LED電路組成。

2.3.1 終端節點

終端節點采用CC2530芯片和無線PA相結合進行設計，主要接收來自協調器的指令，并根據指令執行相應操作，當收到PWM數值時，它將由引腳輸出PWM控制信號至LED驅動芯片；收到開關燈指令時，它將輸出占空比為1的信號或者輸出占空比為0的信號。

2.3.2 LED照明

LED照明部分采用四路串聯共計28顆0.5 W/8 mm白光高亮LED燈珠，驅動部分采用TI出品的恒流驅動芯片CAT4104，恒流驅動是比較理想的LED驅動方式，它能避免因LED正向電壓改變而引起電流變動，同時使LED的亮度穩定。CAT4104驅動電路如圖6所示。

3 智能LED照明系統硬件組成

本系統主要涉及的硬件部分包括CC2530芯片、BH1750光照傳感器、STM32F407ZGT6系列芯片、CAT4104恒流驅動芯片。

3.1 CC2530芯片

CC2530系列芯片具有8 KB SRAM、32/64/128/256 KB閃存、2個16位定時器、2個8位定時器、1個支持7～12位分辨率的ADC、1個內置看門狗、2個串口、2個SPI、1個USB、21個數字I/O引腳。

3.2 BH1750光照傳感器

BH1750環境光傳感器內置16位模數轉換器，它能夠直接輸出一個數字信號，無需再做復雜計算。這是一種更精良和容易使用的簡易電阻器版本，通過計算電壓獲得有效數據，它有1個I2C 總線接口（ f / s 模式支持），1.8 V 邏輯輸入接口，無需任何外部零件且對光源的依賴性不大。

3.3 STM32F407ZGT6系列芯片

STM32F407ZGT6系列芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、12個16位定時器、2個32位定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個全雙工I2S、3個I2C、6個串口、2個USB、2個CAN、3個12位ADC、2個12位DAC、1個RTC、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個10/100 M以太網MAC控制器、1個攝像頭接口、1個硬件隨機數生成器以及112個通用I/O口等[4]。

3.4 CAT4104恒流驅動芯片

CAT4104是安森半導體公司研發的一款LED恒流驅動芯片，通過由一個外部電阻連接到RSET引腳，該芯片內部設有1.2V基準源電路，可以為四條LED通道提供每條高達175mA的恒定電流。芯片的LED通道引腳兼容的高電壓達到25V并且支持長串LED應用[5]，還有PWM控制輸入口，支持高頻PWM波調光控制。具有過熱保護功能，芯片溫度達到150℃時關閉LED通道的輸出。

3.5 電源部分電路

由于本系統使用的CC2530芯片的工作電壓為3.3 V（由電池獨立供電），而恒流驅動芯片CAT4104的工作電壓為5 V，LED部分的供電電壓為24 V。故使用24 V電源降壓提供5 V電源，以保證各模組正常工作。電源部分電路如圖7所示[6]。

4 智能LED照明系統軟件設計

整體系統的程序在IAR軟件環境下進行編寫和編譯，主要函數包括Z-Stack協議棧、模塊初始化、函數調用等，程序的模塊化易于查錯、修改及維護。

//協調器接收來自上位機的數據

void SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{

uint16 temp；

uint8 asc_16[16]={'0'，'1'，'2'，'3'，'4'，'5'，'6'，'7'，'8'，'9'，'A'，'B'，'C'，'D'，'E'，'F'}；

switch （ pkt->clusterId ）

{

case SAMPLEAPP_ADDR1：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設備1的短地址

Addrtable[1]=temp；

UsartBuf[0]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR2：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設備2的短地址

Addrtable[2]=temp；

UsartBuf[1]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR3：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設備3的短地址

Addrtable[3]=temp；

UsartBuf[2]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR4：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設備4的短地址

Addrtable[4]=temp；

UsartBuf[3]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR5：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取設備5的短地址

Addrtable[5]=temp；

UsartBuf[4]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

}

}

//發送終端監測到的光照強度數據

void SampleApp_Senddata（ void ）

{

uint8 Txdata[3]；

read_BH1750（）；

ctrl_myself（liangdu）；

storage_percent（liangdu）；

Txdata[0]=ge；

if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr， &SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_ADDR1，

1，//字節數

Txdata，//指針頭

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）

{

}

else

{

// Error occurred in request to send.

}

}

5 結 語

經測試，本系統按預期實現了各相關功能。在經過多次電路改進并調試后，電路設計上減少了各模塊之間的干擾，優化后的模塊化程序設計使得系統更加穩定。本系統利用ZigBee 技術設計的LED照明系統實現了燈光的遠程控制和自適應調節，提高了照明系統的智能化，大大降低了照明能耗。測試結果表明，本系統工作穩定，運行效果良好，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]杜軍朝，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術原理與實戰[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.

[3]吳明暉，徐睿.基于RAM的嵌入式系統開發與應用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]劉軍，張洋，嚴漢宇，等.精通STM32F4（第1版）[M].北京：北京航天大學出版社，2013.

[5]王晏，韓宏偉.LED照明產業的現狀與前景分析[J].青海科技，2010，17（5）：18-22.

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[7]李夢.一種新型LED驅動電路設計[J].物聯網技術，2014，4（10）：24-25.

[8]王通，梁曉娟.大功率可調光LED驅動的設計與實現[J].物聯網技術，2015，5（10）：71-72.