基于Zigbee技术的LED灯光控制器的设计及应用 - 全文

　　本设计主要是将Zigbee 无线技术应用在LED 照明工程中，解决了白炽灯耗电严重，使用寿命短的问题，同时解决照明工程中布线复杂、高功耗、资源浪费大、受距离限制、维护困难的问题。基于Zigbee 技术具有短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度等优点，设计出基于Zigbee 技术的智能家居LED 灯光无线控制系统。主要利用Zigbee无线自组网技术，实现了对LED 灯的开关和亮度调节的无线控制，并且功能细致可以分为单个灯光控制和局域灯光控制。

　　目前我国大力推行用LED 灯取代白炽灯的政策，而且将在五年内实施完成，这一政策解决了照明耗电严重，使用寿命短的问题，此外，工程布线繁琐安装复杂，不易移动控制，能量消耗大、施工周期长、后期维护困难等这些问题仍然需要解决，Zigbee 技术的广泛应用给目前的问题提供了一种解决方式，并且对于家庭生活和办公楼宇而言达到了方便快捷的目的，对于综合管理人员达到高效安全目的。文中提出了一种Zigbee 无线自组网技术与LED 节能灯相结合的设计方案， 实现对LED 灯的亮度进行连续调节和远程控制的功能，详细的介绍了软硬件设计系统。

　　1 Zigbee 无线技术

　　Zigbee 技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间无线通信技术， 是一组基于IEEE批准通过的802.15.4 无线标准研制开发的，这就确定了可以再不同制造商之间共享的应用纲要。Zigbee 兼容的产品工作在2.4 GHz 这个全球通用的免费开放频段， 这个频段提供了16 个传输信道，每次通信都会自主选择一个最干净干扰最小的信道进行数据传输。在网络层方面，可以采用星形和网状拓扑，根据节点的不同功能，可分为中央协调器 Coordinator，路由节点Router 和终端节点FFD.在这3 种拓扑结构中，在星型网络中不易实现Zigbee 的高级特色功能，即路由功能的，每个Zigbee 设备只能和PANC 直接通讯。网状网络是最复杂的，允许路由，而且路由的路径是自动计算出来的最佳路径，而且网络建立后，任何一个设备失效，网络中的设备会重新计算路由的路径， 使得不影响网络其他设备正常通讯。

　　所以本系统采用的是树状网络结构，简单且易于实现功能。

　　1.1 Zigbee 的优点与特性

　　1） 低功耗是Zigbee 技术最具优势的地方。在通信状态，Zigbee 终端耗电在几十毫瓦左右，在省电模式下，耗电仅仅几十μW，相当有一节干电池可以工作近一年。

　　2） 可靠性：采用避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免发送数据时产生冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能， 传递的信息在整个Zigbee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

　　3） 网络容量大：在同一个WPAN 上，可以存在65 536 个ZigBee 装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息，而且具有无线网络自愈功能。

　　4） 有效范围大：有效范围在10~75 m 之间，如果前置功放可以达到1 000 m 的通信距离。

　　5） 成本低：Zigbee 数据传输速率低， 协议简单且免收专利费，所以降低成本。

　　1.2 Zigbee 无线组网原理

　　在网络层中，ZigBee 定义了3 种角色： 第一个是中央协调器（Coordinator），负责建立网络，以及分配网络各个节点地置；第二个是路由器（Router），主要负责查找网络、建立以及修复数据的路由路径，并负责转送数据，路由器可以与协调器通信，也可以与终端节点进行通信，路由之间也可以进行通信；第三个是终端节点（FFD），只能选择加入已经形成的网络，可以与路由器进行收发数据信息，但不能转发信息，不具备路由功能。通信图解如图1 所示。

　　

　　图1 通信图解

　　工作原理：系统中每个终端节点或路由器分别控制一盏灯或多盏灯，每个节点会有单独的网络地址，手持控制终端通过无线模块发送命令到协调器，协调器将收到的命令通过无线传输发送到各个节点。

　　2 系统硬件设计

　　调光功能的实现方法可分为两种：类比和脉冲宽度调变（PWM）。采用类比调光技术时，只需将白光 LED 的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50%.这种方法的缺点是LED 光色会移动，且需要类比控制讯号，所以本系统采用PWM 调光技术。PWM 调光技术会提供完整电流给白光LED，但会减少电流负载周期，进而达成调光的要求，例如要将亮度减半， 只需50%的负载周期提供完整电流。PWM 讯号频率通常会超过100 Hz，确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，PWM 频率的最大值需视电源供应的启动和反应时间而定；为了得到最大弹性，同时让整合更简单，白光LED 驱动器最高应能接受50 kHz 的PWM 频率。

　　硬件系统是由LED 灯驱动模块、LED 电源驱动模块和Zigbee 无线传输模块等组成。硬件电路逻辑框图如图2 所示。

　　

　　图2 硬件电路逻辑框图。

　　LED 灯驱动部分采用PT4207 驱动芯片，PT4207 是一款高压降压式LED 驱动控制芯片， 用于驱动一颗或多颗LED灯， 其输入电压范围为20~450 V， 可以实现在85~265 VAC范围内稳定可靠的工作，并保证系统的高效能。同时内置的输入电压补偿功能极大地改善了不同输入电压下LED 电流的稳定性。PT4207 还具有负载短路保护、开路保护和过温保护等功能。其专用调光管脚可直接接受PWM 脉冲调光，将PWM 信号加到DIM 脚。PWM 信号低电平要小于0.35 V，高电平在2.5~5 V 之间， 为达到较好调光效果，PWM 信号脉冲频率最好小于最低工作频率的1%.简单驱动原理图如图3 所示。

　　

　　图3 PT4207 的驱动原理图。

　　Zigbee 无线通信模块主要采用CC2530.CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能， 能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有32/64/128/256KB 四种不同的闪存版本，本系统采用的是256KB 闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。本系统是通过改变PWM 输出进而改变灯光亮度，CC2530 的定时器1 是一个16 位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16 位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16 位比较值。一个16 位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间， 还有一个16 位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。每个计数器捕获通道可以用作一个PWM 输出或捕获输入信号边沿的时序。定时器2 是专门为支持IEEE802.15.4 MAC 或软件中其他时槽的协议设计。定时器3 和定时器4 是8 位定时器，具有定时器/计数器/PWM 功能。

　　3 系统软件设计

　　软件开发环境选择IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作为Zigbee 开发的IDE.在TI Z Stack 协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用VC 编写上位机程序。

　　Z Stack 提供了丰富的调试函数调试接口。系统软件主要包括协调器节点程序、路由器节点程序。协调器是第一级节点，负责组建网络，网络组建好后会分配节点ID 地址，协调器接收到手持控制终端发送的命令，发送控制命令到节点就可以实施相应控制，如图4 是协调器的工作流程图。

　　

　　图4 协调器工作流程图。

　　以下扩展到第2 级、第3 级甚至多级，只要在同一网络就可以实施相应控制，协调器接收命令同时将控制命令发送到路由器或者终端节点，如果直接发送命令给路由器，路由器就会执行相应命令， 也可以通过路由器发送给终端节点，由终端节点执行相应命令。如图5 是路由器（包含终端节点）工作流程图。

　　

　　图5 路由器（包含终端节点）工作流程图。

　　4 功能实现

　　控制终端是一手持遥控器，遥控器内设置了无线收发模块，在组建网络时将遥控器加入网络，遥控器会自动识别每一节点的ID 地址，通过对节点发送命令实现控制。可以对单个灯进行亮度调节，即向单个节点发送控制命令，也可以将部分节点组建一个局域网络存储到遥控器中，对这个局域网络发送命令就可以实现局域网内所有节点的灯光控制。

　　5 结论。

　　通过Zigbee 技术实现了对灯光的无线控制，解决了家庭内部网布线复杂、扩展性差、价格高、功耗高和通信范围存在盲区等问题， 实现了家庭住宅或者办公场所的无线通讯，所构建控制系统具有低功耗、低成本，开发方便，易于扩展等特点，而且通过手持遥控器进行控制给人们带来了便利。由于国家大力推行使用LED 节能照明灯， 所以Zigbee 无线灯光控制方面具有广阔的市场，同时可以进一步扩展到智能家居中对家用电器进行无线控制， 甚至远程无线控制。基于Zigbee 技术的各种优点， 其在物联网上的发展空间会很大，尤其是学校的宿舍，教学楼，图书馆或者食堂。