基于Zigbee技術的LED燈光控制器的設計及應用

　　3） 網絡容量大：在同一個WPAN 上，可以存在65 536 個ZigBee 裝置，彼此可通過多重跳點的方式傳遞信息，而且具有無線網絡自愈功能。

　　4） 有效范圍大：有效范圍在10~75 m 之間，如果前置功放可以達到1 000 m 的通信距離。

　　5） 成本低：Zigbee 數(shù)據(jù)傳輸速率低， 協(xié)議簡單且免收專利費，所以降低成本。

　　1.2 Zigbee 無線組網原理

　　在網絡層中，ZigBee 定義了3 種角色： 第一個是中央?yún)f(xié)調器（Coordinator），負責建立網絡，以及分配網絡各個節(jié)點地置；第二個是路由器（Router），主要負責查找網絡、建立以及修復數(shù)據(jù)的路由路徑，并負責轉送數(shù)據(jù)，路由器可以與協(xié)調器通信，也可以與終端節(jié)點進行通信，路由之間也可以進行通信；第三個是終端節(jié)點（FFD），只能選擇加入已經形成的網絡，可以與路由器進行收發(fā)數(shù)據(jù)信息，但不能轉發(fā)信息，不具備路由功能。通信圖解如圖1 所示。

圖1 通信圖解

　　工作原理：系統(tǒng)中每個終端節(jié)點或路由器分別控制一盞燈或多盞燈，每個節(jié)點會有單獨的網絡地址，手持控制終端通過無線模塊發(fā)送命令到協(xié)調器，協(xié)調器將收到的命令通過無線傳輸發(fā)送到各個節(jié)點。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　調光功能的實現(xiàn)方法可分為兩種：類比和脈沖寬度調變（PWM）。采用類比調光技術時，只需將白光LED 的電流降至最大值的一半，就能讓屏幕亮度減少50%.這種方法的缺點是LED 光色會移動，且需要類比控制訊號，所以本系統(tǒng)采用PWM 調光技術。PWM 調光技術會提供完整電流給白光LED,但會減少電流負載周期，進而達成調光的要求，例如要將亮度減半， 只需50%的負載周期提供完整電流。PWM 訊號頻率通常會超過100 Hz,確保這個脈沖電流不會被眼睛察覺，PWM 頻率的最大值需視電源供應的啟動和反應時間而定；為了得到最大彈性，同時讓整合更簡單，白光LED 驅動器最高應能接受50 kHz 的PWM 頻率。

　　硬件系統(tǒng)是由LED 燈驅動模塊、LED 電源驅動模塊和Zigbee 無線傳輸模塊等組成。硬件電路邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路邏輯框圖。

　　LED 燈驅動部分采用PT4207 驅動芯片，PT4207 是一款高壓降壓式LED 驅動控制芯片， 用于驅動一顆或多顆LED燈， 其輸入電壓范圍為20~450 V, 可以實現(xiàn)在85~265 VAC范圍內穩(wěn)定可靠的工作，并保證系統(tǒng)的高效能。同時內置的輸入電壓補償功能極大地改善了不同輸入電壓下LED 電流的穩(wěn)定性。PT4207 還具有負載短路保護、開路保護和過溫保護等功能。其專用調光管腳可直接接受PWM 脈沖調光，將PWM 信號加到DIM 腳。PWM 信號低電平要小于0.35 V,高電平在2.5~5 V 之間， 為達到較好調光效果，PWM 信號脈沖頻率最好小于最低工作頻率的1%.簡單驅動原理圖如圖3 所示。

圖3 PT4207 的驅動原理圖。

　　Zigbee 無線通信模塊主要采用CC2530.CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能， 能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU,系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有32/64/128/256KB 四種不同的閃存版本，本系統(tǒng)采用的是256KB 閃存。CC2530 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(tǒng)，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。本系統(tǒng)是通過改變PWM 輸出進而改變燈光亮度，CC2530 的定時器1 是一個16 位定時器，具有定時器/PWM 功能。它有一個可編程的分頻器，一個16 位周期值，和五個各自可編程的計數(shù)器/捕獲通道，每個都有一個16 位比較值。一個16 位捕獲寄存器也用于記錄收到/發(fā)送一個幀開始界定符的精確時間，或傳輸結束的精確時間， 還有一個16 位輸出比較寄存器可以在具體時間產生不同的選通命令（開始RX,開始TX,等等）到無線模塊。每個計數(shù)器捕獲通道可以用作一個PWM 輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。定時器2 是專門為支持IEEE802.15.4 MAC 或軟件中其他時槽的協(xié)議設計。定時器3 和定時器4 是8 位定時器，具有定時器/計數(shù)器/PWM 功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　軟件開發(fā)環(huán)境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作為Zigbee 開發(fā)的IDE.在TI Z Stack 協(xié)議棧的基礎上，編寫了系統(tǒng)的應用程序代碼，用VC 編寫上位機程序。

　　Z Stack 提供了豐富的調試函數(shù)調試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序。協(xié)調器是第一級節(jié)點，負責組建網絡，網絡組建好后會分配節(jié)點ID 地址，協(xié)調器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節(jié)點就可以實施相應控制，如圖4 是協(xié)調器的工作流程圖。

圖4 協(xié)調器工作流程圖。

　　以下擴展到第2 級、第3 級甚至多級，只要在同一網絡就可以實施相應控制，協(xié)調器接收命令同時將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會執(zhí)行相應命令， 也可以通過路由器發(fā)送給終端節(jié)點，由終端節(jié)點執(zhí)行相應命令。如圖5 是路由器（包含終端節(jié)點）工作流程圖。

圖5 路由器（包含終端節(jié)點）工作流程圖。

　　4 功能實現(xiàn)

　　控制終端是一手持遙控器，遙控器內設置了無線收發(fā)模塊，在組建網絡時將遙控器加入網絡，遙控器會自動識別每一節(jié)點的ID 地址，通過對節(jié)點發(fā)送命令實現(xiàn)控制?？梢詫蝹€燈進行亮度調節(jié)，即向單個節(jié)點發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點組建一個局域網絡存儲到遙控器中，對這個局域網絡發(fā)送命令就可以實現(xiàn)局域網內所有節(jié)點的燈光控制。

　　5 結論。

　　通過Zigbee 技術實現(xiàn)了對燈光的無線控制，解決了家庭內部網布線復雜、擴展性差、價格高、功耗高和通信范圍存在盲區(qū)等問題， 實現(xiàn)了家庭住宅或者辦公場所的無線通訊，所構建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開發(fā)方便，易于擴展等特點，而且通過手持遙控器進行控制給人們帶來了便利。由于國家大力推行使用LED 節(jié)能照明燈， 所以Zigbee 無線燈光控制方面具有廣闊的市場，同時可以進一步擴展到智能家居中對家用電器進行無線控制， 甚至遠程無線控制?；赯igbee 技術的各種優(yōu)點， 其在物聯(lián)網上的發(fā)展空間會很大，尤其是學校的宿舍，教學樓，圖書館或者食堂。