摘要：設計了一種基于ZigBee無線自組網控制LED節能燈的控制系統。以TI公司的CC2530為主要硬件平臺，利用ZigBee Pro協議棧組建了Mesh網絡，在上位機上實現了LED燈亮度的調整和環境溫度、電壓的監控功能。使用PT4115作為驅動芯片，能耗低，達到了節能減排的效果。
關鍵詞：自組網；ZigBee技術；無線數據傳輸；WSN；LED
引言
伴隨電子技術與無線通信技術的發展，人們對生活水平的追求越來越高。智能化被人們所熟知，作為智能化之一的智能照明系統在未來照明領域中具有很好的發展前景。傳統的照明系統大多采用有線連接，鋪線麻煩，價格昂貴，不易擴展，安裝復雜，不易移動維護，能量消耗大。針對傳統照明的不足，可以采用無線數據傳輸來代替有線傳輸。ZigBee技術是一種新型的具有統一技術標準的無線通信技術，應用于短距離范圍內的低速率傳輸，具有功耗低、成本低、數據傳輸可靠、網絡容量大等特點，非常適合照明系統的使用。另外，可以利用現在IC行業的快速發展，使用高效低能的驅動技術來減少照明成本，從而達到節能減排的目的。本文介紹了一種利用ZigBee無線傳感器網絡技術對LED節能燈實現遠程控制的方案，給出了詳細的軟硬件設計。
1 自組網控制系統及工作原理
為實現故障檢測、溫度檢測、電壓檢測、亮度檢測和控制以及故障報警等功能，自組網控制系統采用了圖1所示的設計。
整個無線網絡是由終端節點(ZigBee Endpoint，ZE)、路由(ZigBee Router，ZR)、和協調器(ZigBee Coordinator，ZC)3種設備構成。其中終端是簡化功能設備(Reduced Function Device，RFD)，只能與路由或者協調器直接通信。路由是全功能設備(FuU Function Device，FFD)，既可以和路由和終端直接通信，也可以和協調器直接通信。協調器是PAN協調器(PANC)，負責一個PAN區域的網絡建立及管理。協調器收集所有節點和路由的信息，通過RS232發給監控計算機來確定燈的亮度、環境溫度、電池電量等。
工作原理：系統中每個終端、路由分別控制一盞燈，每個燈對應一個ID(終端或路由加入網絡時由協調器自動分配)，各個節點和路由將傳感器收集的數據通過無線發送到協調器，協調器將收到的數據通過串口發送到監控計算機。如果LED燈出現故障，檢測電路會產生報警信號，報警信號最終會發送到監控計算機，計算機會提示工作人員故障燈的ID，讓維護更便利。另外終端的光敏傳感器會收集光照的程度，然后由終端自動的調整光照的亮度。
終端也會將自身的供電電壓傳送到監控計算機，以防節點缺電而影響使用。
2 系統硬件設計
系統是由電源模塊、無線傳輸模塊(CC2530、溫度檢測、電壓檢測)、LED驅動模塊、LED檢測模塊等組成，具體硬件電路邏輯結構如圖2所示。其中電源模塊是采用市面常用的ASM1117-5．0和ASM1117-3．3，原理簡單易懂。下面主要介紹無線通信模塊和LED驅動模塊。
無線通信模塊采用TI公司的CC2530模塊，CC2530是用于IEEE 802．15．4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32／64／128／256(分別具有32／64／128／256 KB閃存)。CC 2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。CC2530優良的性能和具有代碼預取功能的低功耗、8051微控制器內核、32／64／128 KB的系統內可編程閃存、8 KBRAM，具備在各種供電方式下的數據保持能力并且支持硬件調試，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。它的可編程輸出功率高達4．5 dBm，并且只需極少的外接元件。硬件電路結構框圖如圖3所示，其中光控單元采用TPS851芯片，溫控模塊采用TC77。
LED驅動模塊采用的芯片是PT4115。PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅動一顆或多顆串聯LED。PT4115輸人電壓范圍從6～30 V，輸出電流可調，最大可達1．2 A。根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅動高達數十W的LED。PT4115內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光。當DIM的電壓低于0．3 V時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態。驅動原理圖如圖4所示。PT4115和電感L、電流采樣電阻RS形成一個自振蕩的連續電感電流模式的降壓、恒流LED控制器。VIN上電時，L和RS的初始電流為零，LED輸出電流也為零。這時候，CS比較器的輸出為高，內部功率開關導通，SW的電位為低。電流通過L、RS、LED和內部功率開關從VIN流到地，電流上升的斜率由VIN、L和LED壓降決定，在RS上產生一個壓差VCSN，當VIN-VCSN>115mV時，CS比較器的輸出變低，內部功率開關關斷，電流以另一個斜率流過L、RS、LED和肖特基二極管(D)，當VIN-VCSN<85 mV時，功率開關重新打開，這樣使得在LED上的平均電流為I。I=(0．085+0．115)／(2×RS)=0．1／RS。
3 系統軟件設計
本文應用IAR Embedded Workbench開發環境，在TI ZStack-2．2．1-1．1．3協議棧的基礎上，編寫了系統的應用程序代碼，用VC編寫了上位機程序。系統軟件主要包括協調器節點程序、路由和終端程序、上位機程序。ZStack提供了豐富的函數調用接口。
ZigBee網絡中的協調器工作流程如圖5所示，路由(涵蓋終端)工作流程如圖6所示。在ZigBee網絡中，網絡協調器具有建立網絡、維護鄰居設備表、對邏輯網絡地址進行分配、允許設備MAC層／應用層的連接或斷開網絡的功能。對于節點之間的通信有兩種尋址方式，分別是通過64位IEEE地址和16位網絡地址來尋找網絡設備，當節點加入網絡時候，協調器會自動給其分配唯一的16位網絡地址。燈的無線控制系統要求能夠對任意一盞燈進行亮度調節，因此人工分配64位IEEE地址給每個路燈，以便以后進行控制。另外配置ZigBee設備對象斷點時候，網內的所有節點的ID和斷點描述符必須相同，否則節點間不能通信。路由器和終端的工作流程相識，這里不作區分。
上位機能夠為工作人員清楚地提供電壓、溫度、節點數目、節點地址等數據，實現遠程無線控制，創作和諧的人機交互界面，如圖7所示。工作人員能夠在上位機上使用ID對燈亮暗程度進行遠程控制。
結語
經測試，在室內無障礙15 m左右距離，無遮擋物環境下速率能夠達到2 50 kbps；室外空曠環境下30～1 00m距離，速率為40 kbps；300 m，速率為25 kbps。距離150 m時通信的誤碼率可小于2％。系統在發射狀態下電流為25．7 mA，接收時為29．3mA，休眠狀態下僅為2．5μA。系統將新型短距離無線通信技術ZigBee運用于節能燈控制網絡設計中，省掉系統布線，使傳感器安裝快捷、組網容易、維護方便、成本低，運用CC2530新型單片機控制，可提高傳感器的靈敏度和可靠性。本系統具有成本低、功耗低、實施簡單、維護方便的特點，具有較高的參考價值。