段五星 陳偉全

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)照明電路布線復(fù)雜，成本高，節(jié)能效率低的問題，提出LED燈光無(wú)線調(diào)節(jié)系統(tǒng)?；贑C2530芯片，設(shè)計(jì)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED燈光遙控器和調(diào)節(jié)器；利用LM7805和LM7812組成的直流穩(wěn)壓電源，完成了采用PWM方式控制的LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)；基于Z-stack協(xié)議棧，在IAR軟件平臺(tái)上完成了整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線串口通信、調(diào)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定性高，無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)效果好，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CC2530；Zigbee；LED燈光調(diào)節(jié)；PWM

中圖分類號(hào)：TP276 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ZigBee Wireless Energy-saving LED Light-regulating System Design

Based on CC2530

Duan Wuxing1 Chen Weiquan2

（1.Guangzhou Huali Science and Technology Vocational College Zengcheng District，Guangzhou 511325，China ； 2.Huali College Guangdong University of Technology， Guangdong Guangzhou，511325， China）

Abstract： The traditional lighting circuit has problems of complex cabling， high cost， low energy-saving， so establish the LED light-regulating system. Firstly， design the LED light remote controller and regulator， which have a point-to-point wireless topological structure， based on CC2530， then using the direct current voltage-stabilized supply consisted of LM7805 and LM 7812 to complete the LED drive circuit with the PWM control method， at last， realize the wireless series communication and debugging on the IAR software platform based on Z-stack protocol stack. The tests represent that the system has a trait of stabilization， remote wireless communication， accurate regulation and practical function.

Key words： CC2530； ZigBee； LED； PWM

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，以及節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)谌粘Ｉ钪性絹?lái)越注重節(jié)約能源，節(jié)約用電是其中重要的方面。最近幾年出現(xiàn)的LED具有效率高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是下一代照明的主力軍。在家居，辦公室，醫(yī)院，汽車尾燈顯示燈等場(chǎng)合，LED的利用率越來(lái)越高，同時(shí)，隨著人們對(duì)節(jié)能化、健康化、藝術(shù)化和人性化需求的增多，對(duì)LED燈光調(diào)節(jié)要求越來(lái)越多。因此，利用高性價(jià)比芯片，設(shè)計(jì)相應(yīng)嵌入式無(wú)線節(jié)能LED燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種采用CC2530芯片控制的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，并通過(guò)設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)便于控制，消除傳統(tǒng)綜合布線的線材費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能功效。

1 ZigBee技術(shù)及CC2530新特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段范圍廣的技術(shù)特點(diǎn)，在智能家居、樓宇自動(dòng)化、傳感網(wǎng)絡(luò)及節(jié)能調(diào)光等方面得到廣泛應(yīng)用[2]。

CC2530是TI公司針對(duì)2.4GHz ISM頻帶而推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、高性能射頻收發(fā)器，在接受和發(fā)送模式下，電流消耗分別為24mA和29mA。其硬件具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，封裝小，功耗低，無(wú)線傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)，非常適合節(jié)能LED燈調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制要求[2]。

2 PWM燈光調(diào)節(jié)技術(shù)

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，是利用數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，改變PWM的占空比，調(diào)整LED燈的導(dǎo)通關(guān)閉時(shí)間，從而控制LED燈的亮度。圖1中A是一個(gè)占空比是10%的PWM的輸出，即在信號(hào)周期中，LED燈10%的時(shí)間導(dǎo)通，90%的時(shí)間關(guān)斷，B和C顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出，分別對(duì)應(yīng)LED燈的亮度為額定亮度的10%，50%和90%。實(shí)際中為了保證LED燈在輪流導(dǎo)通關(guān)斷的過(guò)程中不閃光，要求調(diào)制頻率在1kHz到200kHz之間[3]。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器Coordinator、路由節(jié)點(diǎn)， LED驅(qū)動(dòng)器和電源，其中Coordinator作為遙控器，負(fù)責(zé)向多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制LED燈光調(diào)節(jié)信息，路由節(jié)點(diǎn)收到信息后，向各自對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的亮度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器在電源供電的情況下完成LED燈光調(diào)節(jié)。具體組成如下：

Coordinator由矩陣鍵盤和一片CC2530芯片構(gòu)成，其中矩陣鍵盤用于控制系統(tǒng)的開關(guān)和調(diào)節(jié)LED燈的亮度，CC2530芯片主要充當(dāng)發(fā)射器的功能。

路由節(jié)點(diǎn)由一片CC2530組成，一方面用于產(chǎn)生PWM信號(hào)以便對(duì)LED燈光強(qiáng)度進(jìn)行控制，另一方面主要充當(dāng)接受器的功能，接受發(fā)射器發(fā)送的信號(hào)，并將狀態(tài)通過(guò)無(wú)線通信反饋給遙控器。

驅(qū)動(dòng)器主要由TP4115芯片和LED燈組成，其中TP4115主要作為驅(qū)動(dòng)，提供LED驅(qū)動(dòng)電流，并完成LED燈光的亮度調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 電源電路設(shè)計(jì)

4.2 CC2530接口電路設(shè)計(jì)

作為協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)核心硬件的CC2530，其不僅是控制消息收發(fā)的控制中心，還是外圍設(shè)備的管控中心。CC2530的接口電路根據(jù)其所屬節(jié)點(diǎn)在照明設(shè)備控制系統(tǒng)中角色的不同而異[4]。具體設(shè)計(jì)如下圖：RESET-N引腳作為協(xié)調(diào)器的服務(wù)信號(hào)引腳，RF-P、RF-N作為協(xié)調(diào)器射頻收發(fā)端口，負(fù)責(zé)消息的無(wú)線傳輸。協(xié)調(diào)器系統(tǒng)的主振蕩器則采用32MHz的晶振，晶體分別接X0SC-Q1與XOSC-Q2端口。

4.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

該電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能，有助于用戶調(diào)試程序。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號(hào)為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位[5]。復(fù)位電路如圖5所示。RESET_LN腳在CC2530芯片上的引腳號(hào)為 20，復(fù)位時(shí)活動(dòng)到低電平。

上電復(fù)位的情況：通電瞬間電容可以當(dāng)短路，所以RESET_LN腳為低電平。隨著時(shí)間的飛逝（電容充電），穩(wěn)定后+5V的電壓實(shí)際上是加在電容C23上的。電容上極板也就是RESET_LN腳最終為高電平。這樣，引腳RESET_LN持續(xù)一段低電平后，最終穩(wěn)定在高電平，低電平持續(xù)時(shí)間由RC時(shí)間常數(shù)決定。按鍵按下去就相當(dāng)于上電那一瞬，讓電容短路。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)中所用CC2530的內(nèi)核采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)，所以采用IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境，其中集合的高度優(yōu)化的代碼編譯器、AVRIAR匯編器、連接定位器、項(xiàng)目管理器以及調(diào)試器，非常適用于基于CC2530和Z-Stack協(xié)議棧的軟件系統(tǒng)開發(fā)[6]。

5.2 軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由硬件Coordinator和照明設(shè)備控制終端共同構(gòu)建無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，完成消息的無(wú)線收發(fā)，具體通信過(guò)程如下：

當(dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)上電后首先檢查是否為協(xié)調(diào)器Coordinator，是則首先建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，隨后進(jìn)入偵聽監(jiān)測(cè)狀態(tài)。當(dāng)Coordinator檢測(cè)到有無(wú)線消息事件發(fā)生時(shí)，首先判斷消息類型，如果是加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，則按照協(xié)議為此節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址；如果不是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，則先申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后進(jìn)入時(shí)間檢測(cè)，否則繼續(xù)申請(qǐng)加入。如果是亮度調(diào)節(jié)信號(hào)，則根據(jù)設(shè)定的亮度值，進(jìn)行PWM輸出。如果是關(guān)機(jī)信號(hào)，則停止輸出PWM信號(hào)，系統(tǒng)停止。軟件開發(fā)主要步驟流程圖如8所示。

6 控制系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試包含兩個(gè)方面：一是無(wú)線通信性能測(cè)試；二是開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)測(cè)試。

6.1 無(wú)線通信性能測(cè)試

無(wú)線通信性能主要通過(guò)LQI值進(jìn)行判別。LQI（Link Quality Indicator）即鏈路質(zhì)量指示，表示收到數(shù)據(jù)包的強(qiáng)度和質(zhì)量。LQI值的范圍在0到255之間，數(shù)值越大，通信質(zhì)量越好，一般要求LQI在30以上。LQI值定義在AF.h文件中的結(jié)構(gòu)體中，在終端節(jié)點(diǎn)接受到發(fā)送的信號(hào)時(shí)，隨狀態(tài)值一起發(fā)送到Coordinator，并通過(guò)串口助手進(jìn)行查看。

通過(guò)多次測(cè)試，遙控器和調(diào)節(jié)器在1米通信距離且無(wú)阻擋的情況下，LQI維持在180，沒有信號(hào)延遲；遙控器和調(diào)節(jié)器相隔1堵墻或者60米以上時(shí)，鏈路質(zhì)量在50左右，信號(hào)延時(shí)在100ms左右。能夠滿足該系統(tǒng)的實(shí)際需求。

6.2 LED燈亮度調(diào)節(jié)測(cè)試

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的Zigbee節(jié)能LED燈管調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；針對(duì)市電220V電壓，設(shè)計(jì)了12V和5V的直流穩(wěn)壓電源；整合復(fù)位電路，接口電路，天線電路，LED燈驅(qū)動(dòng)電路，完成了硬件電路的連接；基于IAR軟件開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)軟件流程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置和編程，實(shí)現(xiàn)了遙控器和調(diào)節(jié)器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，并成功完成對(duì)LED燈光調(diào)節(jié)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的無(wú)線通信性能良好，傳輸距離較遠(yuǎn)，跨障礙能力較高，同時(shí)，良好的LED燈光調(diào)節(jié)效果，展示了較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 尚兆功，王升軍，高鵬，等. 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的地下車庫(kù)LED燈光導(dǎo)航系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2016（1：32-36）.

[2] Xin L. Design of ZigBee Network Node Based on CC2530[J]. Programmable Controller & Factory Automation， 2011（3）：034.

[3] 陳小龍，鄭煒超，朱春望. 基于CC2530的智能無(wú)線裝置設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（12）：133-135.

[4] 李秘，丁時(shí)棟，李貴柯，等.低成本LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2016，40（1）：173-176.

[5] 宋艷霞.基于ZigBee的智能照明設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 太原：中北大學(xué)，2013.

[6] 李震. 基于ZigBee技術(shù)的大功率LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2014

[7] QST青軟實(shí)訓(xùn).ZigBee技術(shù)開發(fā)：CC2530單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.6.

[8] 峰碩電子科技有限公司.無(wú)線控制職能路燈管理系統(tǒng).2010.