基于CC2530的ZigBee无线节能LED灯光调节系统设计

段五星 陈伟全

摘 要：针对传统照明电路布线复杂，成本高，节能效率低的问题，提出LED灯光无线调节系统。基于CC2530芯片，设计了点对点Zigbee无线网络拓扑结构的LED灯光遥控器和调节器；利用LM7805和LM7812组成的直流稳压电源，完成了采用PWM方式控制的LED驱动器的设计；基于Z-stack协议栈，在IAR软件平台上完成了整个系统的无线串口通信、调试。试验结果表明，该系统具有工作稳定性高，无线传输距离远，调节效果好，实用性强的特点。

关键词：CC2530；Zigbee；LED灯光调节；PWM

中图分类号：TP276 文献标识码：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

随着科技的进步，以及节能意识的增强，人们在日常生活中越来越注重节约能源，节约用电是其中重要的方面。最近几年出现的LED具有效率高，寿命长等优势，是下一代照明的主力军。在家居，办公室，医院，汽车尾灯显示灯等场合，LED的利用率越来越高，同时，随着人们对节能化、健康化、艺术化和人性化需求的增多，对LED灯光调节要求越来越多。因此，利用高性价比芯片，设计相应嵌入式无线节能LED灯光调节系统具有很重要的现实意义[1]。

本文设计了一种采用CC2530芯片控制的ZigBee无线网络的灯光调节系统，可以连续调节LED灯的亮度，并通过设计无线网络，使系统便于控制，消除传统综合布线的线材费用，实现高效节能功效。

1 ZigBee技术及CC2530新特点

ZigBee技术是以IEEE802.15.4标准协议的基础上迅速发展起来的双向无线通信技术，具有低功耗、数据传输可靠、网络容量大、工作频段范围广的技术特点，在智能家居、楼宇自动化、传感网络及节能调光等方面得到广泛应用[2]。

CC2530是TI公司针对2.4GHz ISM频带而推出的第二代支持ZigBee/IEEE802.15.4协议的片上集成芯片。集成了工业标准增强型8051MCU内核、高性能射频收发器，在接受和发送模式下，电流消耗分别为24mA和29mA。其硬件具有设计简单，封装小，功耗低，无线传输稳定的特点，非常适合节能LED灯调节系统的控制要求[2]。

2 PWM灯光调节技术

PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，是利用数字输出来对模拟进行控制的一种非常有效的技术，通过高分辨率计数器的使用，改变PWM的占空比，调整LED灯的导通关闭时间，从而控制LED灯的亮度。图1中A是一个占空比是10%的PWM的输出，即在信号周期中，LED灯10%的时间导通，90%的时间关断，B和C显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出，分别对应LED灯的亮度为额定亮度的10%，50%和90%。实际中为了保证LED灯在轮流导通关断的过程中不闪光，要求调制频率在1kHz到200kHz之间[3]。

3 系统总体结构设计

系统结构如图2所示，整个系统包括协调器Coordinator、路由节点， LED驱动器和电源，其中Coordinator作为遥控器，负责向多个路由节点发送控制LED灯光调节信息，路由节点收到信息后，向各自对应的驱动器发送相应的亮度信号，驱动器在电源供电的情况下完成LED灯光调节。具体组成如下：

Coordinator由矩阵键盘和一片CC2530芯片构成，其中矩阵键盘用于控制系统的开关和调节LED灯的亮度，CC2530芯片主要充当发射器的功能。

路由节点由一片CC2530组成，一方面用于产生PWM信号以便对LED灯光强度进行控制，另一方面主要充当接受器的功能，接受发射器发送的信号，并将状态通过无线通信反馈给遥控器。

驱动器主要由TP4115芯片和LED灯组成，其中TP4115主要作为驱动，提供LED驱动电流，并完成LED灯光的亮度调节。

4 系统硬件电路设计

4.1 电源电路设计

4.2 CC2530接口电路设计

作为协调器和路由节点核心硬件的CC2530，其不仅是控制消息收发的控制中心，还是外围设备的管控中心。CC2530的接口电路根据其所属节点在照明设备控制系统中角色的不同而异[4]。具体设计如下图：RESET-N引脚作为协调器的服务信号引脚，RF-P、RF-N作为协调器射频收发端口，负责消息的无线传输。协调器系统的主振荡器则采用32MHz的晶振，晶体分别接X0SC-Q1与XOSC-Q2端口。

4.3 复位电路设计

该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于用户调试程序。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位[5]。复位电路如图5所示。RESET_LN脚在CC2530芯片上的引脚号为 20，复位时活动到低电平。

上电复位的情况：通电瞬间电容可以当短路，所以RESET_LN脚为低电平。随着时间的飞逝（电容充电），稳定后+5V的电压实际上是加在电容C23上的。电容上极板也就是RESET_LN脚最终为高电平。这样，引脚RESET_LN持续一段低电平后，最终稳定在高电平，低电平持续时间由RC时间常数决定。按键按下去就相当于上电那一瞬，让电容短路。

5 系统软件设计

5.1 平台搭建

本系统中所用CC2530的内核采用增强型8051单片机，所以采用IAR Embedded Workbench for 8051开发环境，其中集合的高度优化的代码编译器、AVRIAR汇编器、连接定位器、项目管理器以及调试器，非常适用于基于CC2530和Z-Stack协议栈的软件系统开发[6]。

5.2 软件流程设计

系统功能的实现主要由硬件Coordinator和照明设备控制终端共同构建无线ZigBee网络，完成消息的无线收发，具体通信过程如下：

当设备节点上电后首先检查是否为协调器Coordinator，是则首先建立无线网络，随后进入侦听监测状态。当Coordinator检测到有无线消息事件发生时，首先判断消息类型，如果是加入网络请求，则按照协议为此节点分配网络地址；如果不是协调器节点，则先申请加入网络，加入成功后进入时间检测，否则继续申请加入。如果是亮度调节信号，则根据设定的亮度值，进行PWM输出。如果是关机信号，则停止输出PWM信号，系统停止。软件开发主要步骤流程图如8所示。

6 控制系统测试

系统测试包含两个方面：一是无线通信性能测试；二是开关及亮度调节测试。

6.1 无线通信性能测试

无线通信性能主要通过LQI值进行判别。LQI（Link Quality Indicator）即链路质量指示，表示收到数据包的强度和质量。LQI值的范围在0到255之间，数值越大，通信质量越好，一般要求LQI在30以上。LQI值定义在AF.h文件中的结构体中，在终端节点接受到发送的信号时，随状态值一起发送到Coordinator，并通过串口助手进行查看。

通过多次测试，遥控器和调节器在1米通信距离且无阻挡的情况下，LQI维持在180，没有信号延迟；遥控器和调节器相隔1堵墙或者60米以上时，链路质量在50左右，信号延时在100ms左右。能够满足该系统的实际需求。

6.2 LED灯亮度调节测试

7 结语

本文设计了一种基于CC2530的Zigbee节能LED灯管调节控制系统；针对市电220V电压，设计了12V和5V的直流稳压电源；整合复位电路，接口电路，天线电路，LED灯驱动电路，完成了硬件电路的连接；基于IAR软件开发平台，通过软件流程设计，系统配置和编程，实现了遥控器和调节器的无线网络连接，并成功完成对LED灯光调节。测试结果表明，该系统的无线通信性能良好，传输距离较远，跨障碍能力较高，同时，良好的LED灯光调节效果，展示了较好的应用价值。

参考文献

[1] 尚兆功，王升军，高鹏，等. 基于无线网络的地下车库LED灯光导航系统[J].现代建筑电气，2016（1：32-36）.

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

[3] 陈小龙，郑炜超，朱春望. 基于CC2530的智能无线装置设计[J]. 电子设计工程，2015，23（12）：133-135.

[4] 李秘，丁时栋，李贵柯，等.低成本LED智能照明系统的设计[J].电源技术，2016，40（1）：173-176.

[5] 宋艳霞.基于ZigBee的智能照明设备控制系统设计[D]. 太原：中北大学，2013.

[6] 李震. 基于ZigBee技术的大功率LED路灯监控系统的设计与实现[D]. 广州：华南理工大学，2014

[7] QST青软实训.ZigBee技术开发：CC2530单片机原理及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2015.6.

[8] 峰硕电子科技有限公司.无线控制职能路灯管理系统.2010.