基于ZigBee无线网络技术的LED无极调光及控制系统

张晓伏

摘 要：针对目前LED照明系统功耗大、控制系统复杂和亮度调节非智能化等诸多问题，本文设计了一种基于ZigBee的LED无极调光及控制系统。该系统采用CC2530实现网络远端数据传输，建立网络，与集成PWM芯片SY5802A组成PWM模拟调光方式实现无级调光。其也设置了上位机，能实时显示监控电压、电流及功率等指标信息，并且可以远端控制LED亮度。

关键词：ZigBee；无极调光；LED照明；SY5802A；CC2530

中图分类号：TM923.34；TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）16-0018-04

The Design of Stepless and Control System of LED Based on

ZigBee Wireless Network Technology

ZHANG Xiaofu

Abstract： In view of many problems such as large power consumption， complex control system and unintelligentized brightness adjustment of LED lighting system， this paper designed a kind of LED non pole dimming and control system based on ZigBee. The system used CC2530 to realize remote data transmission， established network， and integrated PWM chip SY5802A to form PWM analog dimming mode to achieve stepless dimming. The system also set up a host computer， which could display real-time monitoring voltage， current and power and other index information， and could control the brightness of LED remotely.

Keywords： ZigBee；stepless adjusted；LED lighting；SY5802A；CC2530

1 研究背景

隨着社会的快速发展，对能源的需求逐渐增加，能源危机日益加剧，而节能减排成为发展的大趋势。据统计，照明用电占全球用电量的19%，电量消耗巨大[1]。因此，节能和绿色照明已经紧密联系在一起。作为照明领域后起之秀的LED灯耗电量为白炽灯的十分之一、节能灯的四分之一，但其工作寿命却是白炽灯的100倍。此外，LED灯还具有无频闪、电压可调、无噪声等优点[2]。因为LED与传统照明光源相比具有诸多优势，所以其已经逐渐成为照明的主流。

LED灯具为降低能源的消耗发挥了重要作用。但现阶段，用于LED照明的驱动器成为其推广应用及降低能耗的一个技术瓶颈。LED灯对驱动器的要求非常苛刻，对转换效率、恒流精度、电源寿命和有效功率等性能要求十分严格，电源的输出直流对LED产品的稳定性和可靠性具有直接影响[3]。同时，LED驱动模块运行信息的缺乏对LED照明的进一步扩展和应用也是一个障碍。在一些大规模应用及相关安全领域，对LED灯具运行状态的监控也十分必要。由此可得出，LED照明的驱动器及其工作监控系统在未来绿色照明市场上的应用前景非常广阔。

在国内，LED灯监控系统的研究主要侧重于LED灯的运行状态[4]。为了解决自动调光和远程控制等问题，何永玲等学者[5]设计了一个集单片机控制系统、Web服务器及Android客户端于一体的智能照明控制系统。南京航空航天大学的朱玲媛提出采用ZigBee技术构建无线传感网络，利用红外传感器以及光敏传感器采集路灯的工作信息，并根据需求对路灯的亮灭状态及亮度进行调节，并利用霍尔电流传感器采集路灯的故障信息，利用GSM模块将路灯故障报警信息发送到终端。

2 系统结构

基于ZigBee的LED无极调光驱动及监控系统包括照明控制节点（LED灯、LED驱动器）、传感器终端节点、协调器节点及上位机等。传感器节点负责采集光照强度的信息并发送无线控制信号；照明控制节点接收控制信号并调控灯光亮度；协调器用于建立和启用无线局域网并传达无线网络信号，对无线网络节点进行控制管理及存储无线网络节点信息，同时完成与上位机的通信；上位机负载组网配置，并设置手动远程调光按钮。图1为系统结构图。

传感器节点由光敏电阻和无线发射器组成。在不同的光照亮度下，光敏电阻的阻值会发生变化。在光照亮度发生变化后，传感器节点的无线发射设备将光照亮度信息发送到控制节点。

照明控制终端主要由LED灯、LED驱动器及无线收发器等构成。当传感器节点发来的光照信息低于设定值时，控制终端打开LED灯，并通过LED驱动器调整其亮度，传感器节点不停地对亮度信息进行检查，相互交换信息，最终实现亮度无极调光控制。在亮度为正常值时，控制终端不动作，LED灯不亮。协调器节点主要由无线收发器与EIA485模块组成，发送无线网络组网信息，完成节点之间的绑定，达到传感器节点与控制端之间灵活控制的目的，并完成与上位机的通信任务。

3 系统硬件设计

CC2530的片内外设包括AES加密/解密内核、闪存控制器、I/O控制器、调试、定时器、随机数发生器、ADC、DMA控制器、看门狗和UART等模块。其还结合8kB的SRAM和32kB可编程FLASH。用户可以利用丰富的片内外资源，进行所需应用的开发。为了完成LED灯的无极调光及监控系统的设计，需要对协调器节点、路由器节点及控制终端节点进行设计。本设计是基于CC2530芯片进行的设计。

3.1 协调器节点的设计

协调器是整个ZigBee无线网络的核心，是一个中心节点，主要功能是组建ZigBee网络，管理并存储网络节点信息及协助处理应用层信息等。本设计中协调器节点采用485串口通信与上位机实现通信。图2为协调器的结构图。

3.2 路由器节点设计

路由器节点主要用于节点之间的接力，扩展数据传输距离，是ZigBee无线网络的枢纽。在进行无线网设计时，需要根据LED灯的分布合理布置路由器，使每个终端节点都在无线网的覆盖范围之内。路由器节点主要由无线收发器及CC2530模块组成。

3.3 终端节点的设计

终端节点主要包括传感器节点及控制终端节点。传感器节点的主要任务是完成光照亮度的检测，并把信号传输到控制终端。传感器节点主要由光敏电阻、射频模块、地址模块及存储模块组成。控制终端主要包括LED灯、LED驱动器、地址模块及存储模块等。终端节点结构如图3所示。

光敏传感器采集光照信息，经过处理将信号传送给处理器CC2530，处理器CC2530根据当前的亮度信息进行计算，输出适合的PWM波给LED驱动器，通过LED驱动器的输出改变LED灯的亮度，从而达到无极调光的目的。

4 LED无极调光驱动电路设计

SY5800A是单级回程PFC控制器，主要应用于LED照明领域。其是一个主端控制器，没有应用任何低成本的二次反馈电路和驱动器，在准谐振反激式变换器模式可以获得更高的效率和高功率因数。该控制器具有以下优点：一次侧控制消除了光耦合器，可实现PWM或模拟调光，谷导通的初级MOSFET，实现低开关损耗，0.3V初级电流检测基准电压引线，内部高电流MOSFET，低至15μA启动电流，单级转换功率因数大于0.90。

采用集成PWM芯片SY5802A模拟调光方式实现无级调光，将PWM信号输入到PWM引脚，PWM引脚检测PWM信号电流，利用脉宽调制技术开关LED驱动器来改变LED灯的导通时间，进而调整平均输出电流以达到改变亮度的目的，实现无极调光功能。本文采用SY5802A芯片的双侧调光，次级0～10V输出调光的设计。图4为二次调光测输入信号时LED驱动器电路图。

图5是在二次调光测输入信号时二次侧LED驱动器的输出波形图。

注：CH1（blue）：Vdimming signal；CH2（cyan）：Vtriangular wave；CH3（pink）：VPWM_second side。

CC2530输出的PWM波直接接在图4中的PWM接口，通过PWM波改变驱动器的占空比。通过控制U2光耦，Q28050三极管与场效应管Q52N7002控制LED灯的导通时间，从而实现调光的目的。

5 软件设计

本系统的软件设计主要包括上位机界面、协调器和无线传输模块等，各个模块的软件设计均是基于C语言开发的，上位机的开发是基于VC++开发的。

5.1 上位机的设计

上位机的开发是基于VC++面向对象与可视化软件开发平台开发的相应监测控制软件，对LED灯进行统一监测管理与控制，并显示电压、电流与功率等信息，设置相关按钮对LED进行远程控制。

上位机要能实现与协调器之间的通信，并完成网络配置。上位机通过EIA485模块向协调器发送配置信息。在对终端节点建立绑定关系之前，上位机需要先扫描网络，查询网络中部署的节点和相关信息。在此基础上，工作人员能利用网络配置界面对网络中的终端节点进行网络配置，并将配置信息发送到协调器，协调器以广播的形式将接收的配置信息发送到网络的各个节点。

在主界面中，自动控制为默认状态，实现的是本地上位机与协调器之间的通信。操作人员点击控制按钮，可以产生相应的指令，通过串口传输给协调器，通过无线发射设备传送到控制终端。上位机数据显示窗口可以显示协调器传输过来的节點数据。当网络组建完成之后，点击获取网络节点按钮，可以在列表中看到所有的联网节点，如图6所示。数据显示区可以显示各个节点数据、节点名称及编号。如果想要单独查看某个节点数据，可以选中任意按钮并手动输入节点号就可以查看该节点数据。在选择界面上的远程控制按钮后，可以通过上位机控制LED灯的亮与灭。

5.2 ZigBee节点软件设计

想要实现照明控制与远程监控功能，需要开发协调器节点、终端节点及路由器节点的程序。

在协调器上电之后，首先要对Z-STACK进行初始化，对信道进行扫描，并评估空闲信道，从中提取适合的信道及网络标识符，启动ZigBee网络发送超帧，等待终端节点的连接请求，对终端节点进行认证，确认信息的合法性，确认信息无误之后，协调器发出连接命令，完成终端节点与协调器的连接，组成ZigBee网络。上位机向协调器发送绑定请求时，协调器要对命令进行甄别，确认是绑定命令后，协调器发送目标节点地址并等待目标应答。此时，广播发送需要绑定的节点地址。图7为协调器程序流程。

在路由器节点上电之后，先对Z-STACK进行初始化，开始信道扫描，找到可以加入的网络。路由器检测到协调器发送的超帧信号后，该路由器节点向协调器申请加入连接。此时，路由器节点获得协调器的标识符，从而加入网络。在路由器节点接收到终端节点的连接申请之后，需要对申请信息进行认证，确定合法之后，发送连接命令，实现终端节点与路由器节点的连接。

在终端节点上电之后，先要对Z-STACK进行初始化，需要进行信道扫描，找到可以加入的网络。在终端节点检测到协调器发送的广播信号时，请求加入网络，在获得协调器的标识符后，完成加入网络。在终端节点接收到绑定信号之后，需要将目标地址与本所的地址进行匹配，匹配成功之后，终端节点存储接收到的绑定信息。在光敏电阻的阻值达到临界值之后，通过ZigBee网络向控制终端发送信号，并发送本节点地址。在控制终端检测到传感器节点的信号之后，对接收到传感器节点的地址进行匹配，匹配成功后打开LED灯，传感器节点再进行检测，将信号传输到控制节点，LED驱动器对LED进行调光，直到LED亮度达到需求。传感器节点程序流程图如图8所示。

6 结语

本文基于ZigBee无线网络与LED无极调光技术设计了一种LED灯的无极调光及控制系统。采用无线网络减少了布线，提高了灵活性。同时，结合传感器检测与PWM无极调光技术，实现自动平滑的亮度调整，具有较好的调光效果。此外，上位机可以实时显示输出电压、电流与功率等指标，还可以在上位机进行人工远程控制LED灯的亮度，减少人员工作量。根据环境内的亮度条件自动监测是否需要开启LED灯，是否需要调整亮度，在满足节能的条件下达到最佳照明效果，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]秦会斌，郑梁，时佳.白光LED应用现状与发展趋势[C]//全国太阳能光伏照明光源及其附件研讨会.2007.

[2]徐江善.绿色革命——半导体照明[J].记者观察，2003（10）：49-50.

[3] Li Y. C.，Chen C. L. A Novel Single-Stage High-Power-Factor AC-to-DC LED Driving Circuit With Leakage Inductance Energy Recycling[J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on，2012（2）：793-802.

[4]马暖.开关电源的APFC电路的设计与研究[D].兰州：兰州交通大学，2012.

[5]何永玲，吴耀龙.基于WiFi和移动终端的智能照明控制系统设计[J].物联网技术，2016（29）：102-105.

[6]朱玲媛，徐文涛，刘邦超，等.基于ZigBee的城市路灯智能监控系统的设计[J].电子设计工程，2015（1）：146-147.