基于GPRS和ZigBee的远程分布式灯光控制系统

袁 佳，焦志曼，余建波，吴 斌，经 伟，许 堃

（1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072；2.同济大学 机械与能源工程学院，上海201804；3.上海电机学院 商学院，上海201306）

0 引 言

传统的照明控制系统采用有线连接，具有布线麻烦、增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高以及移动性能差等缺点［1］。近年来，无线通信技术获得了迅猛发展，其具有连接方便、组网灵活、功耗小、使用成本低等特点，是实现智能照明控制系统的理想选择。文献 ［2］针对城市灯光控制系统引起的耗能与节能问题，提出了一种基于GPRS 技术的远程灯光控制系统；文献［3］针对传统照明系统布线麻烦、可扩展性差、节能效率低等缺点，开发了基于ZigBee无线传感器网络技术的智能照明系统；文献 ［4］利用Zigbee无线自组网技术，设计出了基于Zigbee技术的LED 灯光无线智能控制系统。

此外，采用合理优化的控制结构也是节能减能的有效措施，分布式控制系统采用分级递阶的体系结构，能够使整个系统在优化的操作条件下运行［5］。文献 ［6］介绍了一种基于分散控制的智能灯光控制系统，该系统实现简单、控制灵活可靠，可应用于各种户外大型音乐灯光表演工程；文献 ［7］根据智能灯光控制系统方便、简单、灵活的发展要求，提出了一种基于无线及电力载波技术的分布式智能灯光控制系统。

针对现有照明控制系统存在的问题，本文开发了一种基于GPRS和ZigBee的LED 节能照明远程分布式智能控制系统。该系统完全无需布线、扩展性强、使用能耗低、控制灵活方便、远程控制安全可靠。智能控制终端通过组建ZigBee无线网络实现对LED 灯具的分布式智能控制，同时将GPRS和Internet通信相结合［8］，通过与远程控制中心PC计算机连接可接入互联网实现远程智能控制。

1 系统方案

本文提出的基于GPRS和ZigBee的LED节能照明远程分布式智能控制系统架构如图1所示，主要由远程控制系统、GPRS／ZigBee通信传输系统、终端控制系统3个部分组成。

图1 系统架构

远程控制中心通过上位机软件系统或者手机实现对LED 照明系统的远程控制；GPRS／ZigBee通信系统主要由GPRS／232传输模块、ZigBee协调器等组成，通过GPRS网络和ZigBee无线网络实现控制信号的远程无线传输；终端控制系统主要由无线模块、调光驱动模块等组成，其中无线模块是智能控制终端的核心，由其产生PWM 脉冲信号，控制调节LED 调光驱动模块的开关频率。

此系统采用GPRS和ZigBee无线组网方式实现LED 灯光远程智能控制，可充分发挥GPRS 网络［9］传输距离远、传输速率快的优点和ZigBee技术［10］自动组网、时延短、容量大的特点，控制灵活方便、系统扩展性强，无需布线，免除设备移动的烦扰，大大降低了成本，很适合LED 远程智能控制。

2 硬件系统

2.1 GPRS通讯模块

GPRS通讯模块是整个系统稳定可靠控制的关键，通过它实现GPRS和RS232串口之间的数据远程通讯，主要由MD251模块、SIM SOCKET 模块、RS232 串口模块和电源模块等构成，其中MD251 模块又是其中的核心。MD251是讯研通公司开发的可编程GSM／GPRS 模块，其设计电路如图2所示，该模块支持GPRS数据传输、SMS控制、AT 命令控制和UART 串口中断，并且留出了SIM卡接口和一系列的外部接口，可以方便实现GPRS 到RS232数据传输。

2.2 ZigBee网络模块

ZigBee网络模块是整个系统的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591 功放芯片以及少量的外围器件构成。CC2430芯片结合了一个工业级小巧高效的8051 控制器，在单个芯片上整合了ZigBee射频 （RF）前端、内存和微控制器。但是CC2430芯片本身的通信距离十分有限，因此要增加一个功放芯片CC2591来加大节点的通信距离，减少通信延时和增加通信的稳定性。

ZigBee无线网络［11］中包含设备终端控制节点、协调器节点 （与GPRS模块相连）。A／D 转换驱动电路以及其它应用电路与ZigBee模块相连构成设备终端控制节点，实现LED灯具的亮度调节；协调器节点由一个ZigBee模块和RS232接口组成，负责创建和管理网络，接收远程无线控制信号并传向ZigBee网络。各终端节点和协调器共同构成了系统的ZigBee网络部分，其硬件结构如图3所示，其中协调器节点没有A／D 转换驱动电路及LED 灯具接口，主要实现无线数据的双向传输。

2.3 LED智能控制终端

LED 智能控制终端主要由电源稳压模块、ZigBee无线模块和调光驱动模块等组成，其硬件结构如图4所示。Zig－Bee无线模块是智能控制终端的核心，其不但实现数据的无线通信功能，同时也由其产生PWM 脉冲信号，控制调节LED 调光驱动模块的开关频率，实现调光。

图2 MD251模块设计电路

图3 ZigBee节点硬件结构

图4 灯光控制模块硬件结构

调光驱动模块采用恒流驱动模式，驱动电路如图5所示，驱动芯片选择Supertex公司的大功率LED 恒流驱动芯片HV9910B，其输出电流恒定，适合应用于LED恒流驱动。MOS管选取性能良好的STD5NM50，最大耐压达500 V，最大漏极电流7.5A，导通电阻小于0.8Ω。二极管选取快恢复二极管BYV26B，其反向耐压达500V，正向平均电流1A，正向导通压降1.2V。滤波电容CE1选择10μF／35V的钽电容，C3选择47μF／35V的电解电容，C2选择4.7μF无极性电容，电阻R1为22Ω，电阻R2为28KΩ，电阻值R3为0.36Ω，实验结果表明，元件的选择满足电路设计要求。

3 软件系统

3.1 ZigBee组网设计及实现

ZigBee主要支持3种网络拓扑结构：星型结构、簇树结构和网络结构，其网络拓扑如图6所示。其中，协调器节点用来创建ZigBee网络并进行网络维护，监听其它设备的入网请求并使其加入网络，起着管理整个ZigBee无线网络的作用；路由器节点完成数据包的转发，保证ZigBee网络数据快速高效稳定的传输，提高系统的数据传输效率；终端节点负责终端动作的执行，实现具体的控制功能，并返回相关数据。簇树和网状网络结构较为复杂，星型网络相对简单，便于管理，建网容易，扩展方便，控制灵活，很适合应用于对LED 终端的控制，因此，我们选择组建ZigBee星型网络。

图5 调光驱动模块电路原理

图6 ZigBee网络结构

系统采用MSSTATE＿LRWPAN 协议栈组建ZigBee无线网络，组网过程如下：首先协调器节点通过aplForm－Network（）建立ZigBee无线网络，网络建立成功后，进入无限循环运行apsFSM（）状态机，监听其它节点入网请求信息，其它节点发送入网请求后，通过aplJoinNetwork（）加入网络，入网成功后运行apsFSM（）状态机，通过APP＿STATE ＿RUN＿APPn执行应用程序。ZigBee协调器节点流程如图7所示，ZigBee终端节点流程如图8所示。

图7 ZigBee协调器组网程序流程

3.2 系统控制软件设计

系统控制软件采用C＃语言编写，通过GPRS和Internet两种方式实现对LED 终端的远程智能控制，其控制界面如图9、图10所示。

GPRS方式将GPRS 模块和电脑相连，通过串口建立与GPRS模块的通讯连接，将控制信息传输至GPRS网络，包括端口设置、参数设置、终端绑定、实时控制等几个部分。

Internet方式通过Socket技术建立与GPRS 模块的通讯连接，包括通讯连接、终端远程控制、日常维护、数据管理等模块。控制界面能实时获取每个远程GPRS模块对应的IP地址和端口号，用户通过此界面向不同IP 地址下的智能控制终端发出灯光控制命令，可以集中控制所有智能终端，也可通过编号分别控制每个智能终端，灵活方便实现LED 终端的远程智能控制。

图8 ZigBee终端节点程序流程

图9 GPRS远程控制界面

图10 LED 节能照明远程智能控制系统

3.3 系统通信协议

远程控制中心向智能终端节点发送包含控制命令的数据包，智能终端节点按照双方约定的协议进行，从而执行相应的功能。数据包协议见表1。

数据头：固定设置为FA，表示一帧数据的开始；

事件号：事件类别，0x01 表示普通控制消息，0xEE表示器件状态消息；

上／下行：0x01表示上行，方向为：终端→协调器→控制器→上位机；0x00表示下行，方向为：上位机→控制器→协调器→终端；

长度：为源端点＋目的端点＋控制位＋功能位；

源端点：发送控制信息的端点；

目的端点：接收控制信息的端点；

控制位：0x00～0xFF，0x01代表灯管1，0x02代表灯管2，以此类推，0x00表示所有灯管，每个ZigBee无线网络最多可同时控制255个灯管；

功能位：表示LED 灯具的具体调光命令，可实现256级无极调光 （0x00～0xFF）；

数据尾：固定设置为FD，表示一帧数据的结束，和数据头一起作为数据传输的校验码，只有数据头和数据尾都正确，接收的数据才为一帧有效数据。

4 实验验证

本实验对开发的基于GPRS和ZigBee的LED 节能照明远程智能分布式控制系统进行了验证测试，主要包括GPRS通信网络的建立、ZigBee无线网络的的组建和各种调光功能的实现，可通过3种方式实现对LED 灯具的远程控制：①直接通过手机发送控制信息；②PC 机和GPRS／232透传模块一起作为服务器，通过上位机软件实现控制；③PC机接入Internet网络，通过上位机实现控制。

远程控制界面如图9和图10所示，系统测试实验连接如图11所示，测试系统包括1台PC 机 （用作服务器）、1台手机、2个GPRS通讯模块 （Internet模式下只需1个）、1个ZigBee协调器、3个控制终端、3个LED 灯管。

表1 系统通信数据包协议

实验主要对第③种控制方式进行测试，流程如下：

（1）建立GPRS通讯。首先用手机向GPRS模块发送指令 “BND＝XXXXXXXX：139XXXXXXX＃”，将控制手机的手机号绑定到GPRS 模块，绑定成功后，用手机向GPRS模块发送绑定数据中心域名及端口号指令 “DNS＝XXXXXXXX：Domain.NameXXX，port＃”，把GPRS 模块绑定到远程控制中心电脑，其中， “XXXXXXXX”为GPRS模块操作密码，“139XXXXXXX”为手机号。

（2）GPRS通信测试，在电脑和GPRS 模块间进行双向数据传输测试，确保数据传输准确无误。

（3）LED 终端控制测试，控制界面如图10所示。

图11 系统测试实验连接

控制不同按键LED 终端显示不同效果，LED 灯具1亮度为10%，灯具2和3 亮度为100%的效果如图11 所示，调光占空比分别为10%、50%、75%的PWM 波形如图12所示。

图12 调光占空比为 （a）10%，（b）50%，（c）75%的PWM 波形

测试结果表明，这种方式操作简单，控制灵活，易于扩展，具有很强的应用价值，此外还可以通过手机直接控制，或者把PC机和GPRS／232透传模块一起作为服务器，通过上位机软件实现控制，3 种控制方式优缺点对比见表2。

表2 3种控制方式优缺点对比

5 结束语

基于GPRS网络传输距离远、传输速率快的特点，以及ZigBee技术低功耗、短时延、大容量特点，本文开发了一种基于GPRS和ZigBee的LED 节能照明远程分布式智能控制系统，满足了LED 灯光控制系统智能化、节能化、网络化等要求，实验结果表明此系统灵活可靠、控制方便、易于扩展、易于实现。目前已实现以下功能：①PC 机与GPRS模块间数据通信安全可靠，可通过PC 机直接向GPRS模块发送控制信息；②ZigBee协调器和控制终端组建ZigBee无线网络，控制灵活可靠；③可通过PC 机上位机控制软件实现远程灯具的开关控制以及亮度的调节；④可通过3 种不同方式实现灯具的远程智能控制，控制灵活方便。

在此基础上，今后的研究工作将从以下几个方面深入下去：①组建更加复杂的ZigBee无线网络，多协调器，协调器之间相互通信，终端加入ID 身份识别功能，非识别ID终端将不能加入ZigBee网络；②实现更加复杂的调光功能，可以实现场景效果以及不同艺术效果的呈现；③Zig－Bee协调器与RS485之间数据透传，从而通过RS485实现多灯具的分布式控制；④灯具使用过程中，可通过上位机软件实时在线监测灯具的电压值、电流值，方便灯具的日常维护。

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