?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

　?? 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。

　　4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。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。