基于ZigBee网络的LED调光灯具的设计

于东东

（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）

隧道建设对于我国改善道路交通现状，实现经济建设的平稳快速发展具有重要意义[1]。隧道智能照明控制系统作为隧道建设的关键技术环节，也日益受到更多的关注。在隧道智能照明控制系统中，隧道的照明强度能够根据洞外亮度、车流量以及车速进行实时调节[2]，这就要求隧道照明的灯具具有良好的调光性能，能够接收到中控机发出的调光指令，实现光照强度的平稳调节。

LED灯具与传统的荧光灯、高压钠灯等不同，其亮度能够在0～100%之间自由平滑的调节，并不影响其使用寿命，而且调节控制方法简单有效[3]。再加上LED灯具本来在节能方面的巨大优势，使得LED灯具在现代隧道照明当中应用的越来越广泛。但现在在隧道照明当中应用的LED灯具的布置和控制方式往往还按照以往对于高压钠灯的布置和控制方式来进行[4]，根本发挥不出LED本身所存在的优势，所以设计一款高效、节能、易于控制的LED灯具就显得很重要。

本文根据隧道智能照明控制系统对于灯具的要求，设计了一款基于ZigBee无线网络技术，可以利用PWM技术进行无级调光的LED灯具。

1 总体设计

根据设计要求，我们可以得到如图1所示的LED灯具的电路结构图。220 V市电先经过EMI滤波电路后经过整流电路变为直流电，然后经过功率校正电路来提高电源的功率因数，防止对电网造成谐波干扰。灯具模块中具有的无线通信ZigBee模块可以将所有LED灯具组成一个无线网络，每一个LED灯具都可以接受到主控制器发送的调光控制指令，经过PWM模块施加到LED的驱动电路上，来平滑地改变LED灯具的亮度，实现调光控制[5]。

图1 LED灯具结构图Fig.1 Structure diagram of LED lamp

2 系统硬件设计

2.1 前级电路

根据LED灯具对于直流驱动电流的要求，LED灯具的前级电路主要包括EMI整流电路、桥式整流电路以及功率因数校正电路，具体的电路如图2所示。

滤波电路中电阻起到过压保护的作用，C1、C2、L1、L2组成的滤波电路有效地抑制了电磁干扰，同时也使LED灯具产生的电磁干扰不会影响到电网。由4个二极管组成的桥式整流电路将交流电转换成直流电，同时通过C3进行高频噪声的滤波。功率因数校正电路以L6561控制器为核心，整流电路输出电压经过R9、R10分压器采样，通过L6561升压变换得到直流输出电压。整个电路在L6561的控制下，使得整流二极管的导通角几乎为180度，能够与交流的输入电压保持相同的相位，从而将功率因数提高到接近于1。同时，该电路还起到了高功率因数的开关电源的作用[6]。

图2 前级电路图Fig.2 The former circuit

2.2 LED驱动电路

LED的驱动控制模块采用的是TI公司开发的LM3407芯片，它是集成了N沟道功率MOS场效应管的脉冲宽度调制的浮动式降压转换器，可以直接控制平均负载电流，专门用于大功率的LED颗粒的恒流控制，非常适合作为隧道照明控制系统中LED灯具的驱动电路使用。本文设计了基于LM3407的一个LED驱动电路的实例，它能够提供350 mA的恒定电流来驱动6个串联的LED灯组[7]。基于LM3407的LED驱动电路如图3所示。

图3 LED驱动电路Fig.3 LED drive circuit

在此电路中可以通过调整电阻RISNS1和RISNS2来调整该驱动电路的输出电流，默认情况下两个电阻的取值都为1.13 Ω，最终可以使得整个电路的输出电流为350 mA。整个电路开关频率的调节是通过设定电阻RFS的阻值来实现的，可以灵活的将驱动电路的开关频率设定在300 kHz到1 MHz之间。为了获得较为恒定的电流输出，LM3407需要工作在连续传导模式下。为此，我们应该使得电感器的纹波电流的幅值能够尽可能的小。在此应用下，电感器的默认值是33 μH。

在一般情况下，我们可以将脉冲信号施加到DIM脚，这样就可以周期性地启动和禁止LM3407，从而控制输出电流，达到对LED阵列调光的目的。

2.3 ZigBee模块

无线通信模块采用的是基于ZigBee技术的CC2430芯片，它是真正的系统芯片CMOS解决方案。该解决方案能够满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，同时满足低成本、低功耗的要求。通过添加ZigBee模块，使得LED灯具具有无线组网功能，能够将LED灯具作为终端节点接入整个隧道照明控制系统当中。无线网络不但能够将LED灯具的电流、电压等信息实时地传递给后台服务器，同时能够根据隧道运行参数动态地向LED灯具发出相应的调光指令，调节隧道照明亮度[8]。CC2430及其外围电路如图4所示。

2.4 PWM模块

PWM波形的产生芯片采用Silicon General公司生产的SG3525。它是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片。它简单可靠，使用灵活方便，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力。内部的欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器具有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。PWM模块及其外围电路如图5所示。

3 结束语

文中设计了一款基于ZigBee无线网络，能够进行PWM调光的LED灯具，通过对灯具每个模块的具体分析与设计，使得该款LED灯具能满足隧道智能照明控制系统的要求，能够广泛地应用于隧道智能照明控制系统中，具有较高的市场利用价值。

图4 CC2430及其外围电路Fig.4 CC2430 circuit

图5 SG3525及其外围电路Fig.5 SG3525 circuit

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