ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统
摘要：设计了一种基于zigbee无线自组网控制led节能灯的控制系统。以ti公司的cc2530为主要硬件平台，利用zigbee pro协议栈组建了mesh网络，在上位机上实现了led灯亮度的调整和环境温度、电压的监控功能。使用pt4115作为驱动芯片，能耗低，达到了节能减排的效果。
关键词：自组网;zigbee技术;无线数据传输;wsn;led
引言
传统的照明系统大多采用有线连接，铺线麻烦，价格昂贵，不易扩展，安装复杂，不易移动维护，能量消耗大。针对传统照明的不足，可以采用无线数据传输来代替有线传输。zigbee技术是一种新型的具有统一技术标准的无线通信技术，应用于短距离范围内的低速率传输，具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点，非常适合照明系统的使用。另外，可以利用现在ic行业的快速发展，使用高效低能的驱动技术来减少照明成本，从而达到节能减排的目的。本文介绍了一种利用zigbee无线传感器网络技术对led节能灯实现远程控制的方案，给出了详细的软硬件设计。
1 自组网控制系统及工作原理
为实现故障检测、温度检测、电压检测、亮度检测和控制以及故障报警等功能，自组网控制系统采用了图1所示的设计。
整个无线网络是由终端节点(zigbee endpoint，ze)、路由(zigbee router，zr)、和协调器(zigbee coordinator，zc)3种设备构成。其中终端是简化功能设备(reduced function device，rfd)，只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备(fuu function device，ffd)，既可以和路由和终端直接通信，也可以和协调器直接通信。协调器是pan协调器(panc)，负责一个pan区域的网络建立及管理。协调器收集所有节点和路由的信息，通过rs232发给监控计算机来确定灯的亮度、环境温度、电池电量等。
工作原理：系统中每个终端、路由分别控制一盏灯，每个灯对应一个id(终端或路由加入网络时由协调器自动分配)，各个节点和路由将传感器收集的数据通过无线发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口发送到监控计算机。如果led灯出现故障，检测电路会产生报警信号，报警信号最终会发送到监控计算机，计算机会提示工作人员故障灯的id，让维护更便利。另外终端的光敏传感器会收集光照的程度，然后由终端自动的调整光照的亮度。
终端也会将自身的供电电压传送到监控计算机，以防节点缺电而影响使用。
2 系统硬件设计
系统是由电源模块、无线传输模块(cc2530、温度检测、电压检测)、led驱动模块、led检测模块等组成，具体硬件电路逻辑结构如图2所示。其中电源模块是采用市面常用的asm1117-5.0和asm1117-3.3，原理简单易懂。下面主要介绍无线通信模块和led驱动模块。
无线通信模块采用ti公司的cc2530模块，cc2530是用于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有4种不同的闪存版本：cc2530f32/64/128/256(分别具有32/64/128/256 kb闪存)。cc 2530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。cc2530优良的性能和具有代码预取功能的低功耗、8051微控制器内核、32/64/128 kb的系统内可编程闪存、8 kbram，具备在各种供电方式下的数据保持能力并且支持硬件调试，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。它的可编程输出功率高达4.5 dbm，并且只需极少的外接元件。硬件电路结构框图如图3所示，其中光控单元采用tps851芯片，温控模块采用tc77。
led驱动模块采用的芯片是pt4115。pt4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联led。pt4115输人电压范围从6～30 v，输出电流可调，最大可达1.2 a。根据不同的输入电压和外部器件，pt4115可以驱动高达数十w的led。pt4115内置功率开关，采用高端电流采样设置led平均电流，并通过dim引脚可以接受模拟调光和很宽范围的pwm调光。当dim的电压低于0.3 v时，功率开关关断，pt4115进入极低工作电流的待机状态。驱动原理图如图4所示。pt4115和电感l、电流采样电阻rs形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压、恒流led控制器。vin上电时，l和rs的初始电流为零，led输出电流也为零。这时候，cs比较器的输出为高，内部功率开关导通，sw的电位为低。电流通过l、rs、led和内部功率开关从vin流到地，电流上升的斜率由vin、l和led压降决定，在rs上产生一个压差vcsn，当vin-vcsn>115mv时，cs比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过l、rs、led和肖特基二极管(d)，当vin-vcsn<85 mv时，功率开关重新打开，这样使得在led上的平均电流为i。i=(0.085+0.115)/(2×rs)=0.1/rs。
3 系统软件设计
本文应用iar embedded workbench开发环境，在ti zstack-2.2.1-1.1.3协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用vc编写了上位机程序。系统软件主要包括协调器节点程序、路由和终端程序、上位机程序。zstack提供了丰富的函数调用接口。
zigbee网络中的协调器工作流程如图5所示，路由(涵盖终端)工作流程如图6所示。在zigbee网络中，网络协调器具有建立网络、维护邻居设备表、对逻辑网络地址进行分配、允许设备mac层/应用层的连接或断开网络的功能。对于节点之间的通信有两种寻址方式，分别是通过64位ieee地址和16位网络地址来寻找网络设备，当节点加入网络时候，协调器会自动给其分配唯一的16位网络地址。灯的无线控制系统要求能够对任意一盏灯进行亮度调节，因此人工分配64位ieee地址给每个路灯，以便以后进行控制。另外配置zigbee设备对象断点时候，网内的所有节点的id和断点描述符必须相同，否则节点间不能通信。路由器和终端的工作流程相识，这里不作区分。
上位机能够为工作人员清楚地提供电压、温度、节点数目、节点地址等数据，实现远程无线控制，创作和谐的人机交互界面，如图7所示。工作人员能够在上位机上使用id对灯亮暗程度进行远程控制。
4结语
经测试，在室内无障碍15 m左右距离，无遮挡物环境下速率能够达到2 50 kbps;室外空旷环境下30～1 00m距离，速率为40 kbps;300 m，速率为25 kbps。距离150 m时通信的误码率可小于2%。系统在发射状态下电流为25.7 ma，接收时为29.3ma，休眠状态下仅为2.5μa。本系统具有成本低、功耗低、实施简单、维护方便的特点，具有较高的参考价值。
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关键词：自组网;zigbee技术;无线数据传输;wsn;led
引言
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1 自组网控制系统及工作原理
为实现故障检测、温度检测、电压检测、亮度检测和控制以及故障报警等功能，自组网控制系统采用了图1所示的设计。
整个无线网络是由终端节点(zigbee endpoint，ze)、路由(zigbee router，zr)、和协调器(zigbee coordinator，zc)3种设备构成。其中终端是简化功能设备(reduced function device，rfd)，只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备(fuu function device，ffd)，既可以和路由和终端直接通信，也可以和协调器直接通信。协调器是pan协调器(panc)，负责一个pan区域的网络建立及管理。协调器收集所有节点和路由的信息，通过rs232发给监控计算机来确定灯的亮度、环境温度、电池电量等。
工作原理：系统中每个终端、路由分别控制一盏灯，每个灯对应一个id(终端或路由加入网络时由协调器自动分配)，各个节点和路由将传感器收集的数据通过无线发送到协调器，协调器将收到的数据通过串口发送到监控计算机。如果led灯出现故障，检测电路会产生报警信号，报警信号最终会发送到监控计算机，计算机会提示工作人员故障灯的id，让维护更便利。另外终端的光敏传感器会收集光照的程度，然后由终端自动的调整光照的亮度。
终端也会将自身的供电电压传送到监控计算机，以防节点缺电而影响使用。
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无线通信模块采用ti公司的cc2530模块，cc2530是用于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有4种不同的闪存版本：cc2530f32/64/128/256(分别具有32/64/128/256 kb闪存)。cc 2530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。cc2530优良的性能和具有代码预取功能的低功耗、8051微控制器内核、32/64/128 kb的系统内可编程闪存、8 kbram，具备在各种供电方式下的数据保持能力并且支持硬件调试，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。它的可编程输出功率高达4.5 dbm，并且只需极少的外接元件。硬件电路结构框图如图3所示，其中光控单元采用tps851芯片，温控模块采用tc77。
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上位机能够为工作人员清楚地提供电压、温度、节点数目、节点地址等数据，实现远程无线控制，创作和谐的人机交互界面，如图7所示。工作人员能够在上位机上使用id对灯亮暗程度进行远程控制。
4结语
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