浅谈基于Zigbee的LED照明控制研究

【摘 要】目前很多学校的照明设备可以统一控制其照明时间，但其不能控制照明亮度，尤其外界光强足够强的时候，灯管的继续工作会导致能源的浪费。学校整个照明系统开关控制是由人员实际按键操作，不能通过上位机操作；每栋楼开关控制都需要人来值守，无法做到统一监视、规范管理。针对布线繁琐、扩展性差、功能单一、人工管理、“长明灯”耗能严重等诸多缺陷，传统的照明系统已无法满足现代人旳生活品质和节能减排低碳生活的需求，在此背景下智能照明系统变得十分必要。LED与无线传感网络技术给照明系“网络化、智能化、节能化”的数字家园带来了广阔的发展空间和应用前景。

本文主要针对学校教室内的智能照明控制系统进行了研究，控制对象釆用白光LED灯，并集成恒流驱动与PWM脉冲调光技术，完成根据光强变化PWM线性调光。控制策略采用CC2530芯片与Zigbee无线传感网络技术，并结合网状拓扑结构的Zigbee2007协议栈，实时采集LED照明现场的环境参数，并实现点对点通信， CC2530芯片逻辑判断与智能分析后，实现根据光强变化智能调光等复杂功能。 PC机实时显示照明现场的环境参数（光强变化），对LED智能照明系统进行集中控制与管理。

【关键词】ZigBee 无线传感网络 白光LED 智能 CC2530

一、系统总体结构：

在室内照明中，Zigbee无线通讯的网络结构可以满足系统的工作需要，2.4GHz无线频段为其工作频率，最多可以同时容纳六万多个节点，控制范围有一万米之多。由于Zigbee具有自组织、低功耗和方便定位的优点，在构建无线传感器和照明系统的网络组建方面都具有很强的优势。

该照明系统主要有两个部分构成，一个是协调器和多个路由器或是终端设备。协调器负责发送命令和收集消息，将来自电脑的命令通过zigbee网络发送到终端，同时接受消息传给微机。路由或是终端设备根据指令控制LED灯组的明亮，还可以检测电压、电流和外界光强并把得到的数据传给微机。协调器选用CC2530模块和串口模块组成。

ZigBee的组网方式与拓扑结构

二、系统涉及的技术

（一）白光 LED 驱动技术。LED 驱动技术是 LED 照明应用的一个很关键的技术，影响到照明电路的诸多性能，虽然目前各种 LED 照明驱动电路层出不穷，但依然存在很多技术短板。白光 LED 驱动器的设计除了要达到普通 LED 要求外，还应有高的功率转换效率、与各白光 LED 电流相匹配、功耗要低、静态电流小、便于其调光、有过压保护、过热保护、低压锁存、输出开路或短路保护等各项要求。

（二）PWM 调光技术。本课题调光方式采用 PWM（脉冲宽度调制），我们采用定时器来模拟 PWM 信号。本设计中采用方波周期不变，而只改变占空比的方案来实现软件 PWM。PWM 调光的原理是利用人们的视觉残留效应，当 LED 亮暗频率大于 100Hz 时，人们就不会感觉到闪烁，而认为灯是一直亮着的。

（三）照明信息采集技术。为了充分利用自然光来控制室内亮灯的数量与亮度，达到更好的节能的效果，光照度传感器在室内合理的布置以检测实际光照度很有必要。检测室内光照度需采用光照度传感器，光照度传感器采用光敏元件，将光照度转换为模拟电信号，经运算放大器放大后再转换为数字信号输出。本课题采用光敏电阻5516，通过CC2530内部的14位模数转换模块实现数字信号输出。

（四）ZigBee 技术的应用。ZigBee 网络是基于 ZigBee 技术而构建的一种低速短距离无线个域网络LR-WPAN），这种低速个人区域网具有结构简单、成本低、功耗低、安全可靠性强、数据传输灵活、组建网络灵活且其拥有一个简单灵活的通信协议。ZigBee协议规范使用 IEEE 802.15.4 标准作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY），并在此基础上定义了应用层（APL）、网络层（NWK）以及用户应用框架（AF）。它是一种高可靠的无线数据传输网络，通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里，且支持无限扩展。在整个网络范围内，每一个 ZigBee 网络模块节点之间可以相互通信，每个网络节点间的数据传输距离可无限扩展。

三、硬件电路的组成

（一）LED 照明采用直流驱动，属电流驱动器件。其亮度与正向电流成比例，一般采用两种方法控制其正向电流。一种是据 LED 伏安曲线的预期正向电流来确定所需外加电压。驱动电路一般采用一个电压源串联一个限流电阻的形式。由于 LED 的外加电压波动很小会使流过其电流急剧变化的特性，使这种控制方法有很多不足。另外，限流电阻的压降与功耗会浪费电能和减少电池使用寿命。另一种是用恒流电源来驱动 LED，这种方法解决了 LED 正向电压变化导致电流急剧变化的问题，可维持 LED 亮度的恒定。

（二）Zigbee芯片是采用TI公司的CC2530，为了更完美地实现智能控制与无线通信的功能，结合CC2530综合开发板进行设计研究。Zigbee2006协议栈与CC2530相对应，IAR7.50是其开发工具。在具体的实施过程中，想要更好的实施分布式控制电路，就得通过Zigbee各节点之间组建网状网络，全功能设备FFD一般都在每一个模块中进行配备，把设备类型设定为协调器或是路由器。每个协调器只在每个网络中，那么就得在启动之前对每个协调器进行判断，确定其存在后再用路由器的方式进入网络作业。

（三）PWM 调光控制方法。在 LED 照明应用中都需进行亮度调节，调光方式有模拟方式和 PWM 方式两种。模拟方式不仅会出现 LED 颜色偏移，还会影响 LED 照明灯具使用寿命，很少使用。PWM 调光是一种调节频率大于 100Hz 数字电流信号的占空比来确定LED 光亮的方法，其设计的驱动电路应能承受高达 50kHz 的 PWM 频率。

Zigbee作为一种新兴的短距离无线传输信息的载体，LED技术的发展也在不断的完善，基于Zigbee的LED灯组节能控制系统必将呈现出巨大的科技含量和市场前景，在节能减排，低碳生活上也大有作为。

参考文献：

[1]张周，周剑阳，闫沫.ZigBee在智能家居系统中的应用研究[J].工业控制计算机，2006

[2]汤镇辉、张正明，基于CC2530的Zigbee无线路灯节能智能监控系统，微型机与应用，2011

[3]李智华、周峰等，基于Zigbee的LED智能照明控制系统，现代建筑电气.2013.4.6