佚名 發表於 2014-07-27 12:11:42
本設計主要是將Zigbee 無線技術應用在LED 照明工程中，解決了白熾燈耗電嚴重，使用壽命短的問題，同時解決照明工程中布線複雜、高功耗、資源浪費大、受距離限制、維護困難的問題。基於Zigbee 技術具有短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低複雜度等優點，設計出基於Zigbee 技術的智能家居LED 燈光無線控制系統。主要利用Zigbee無線自組網技術，實現了對LED 燈的開關和亮度調節的無線控制，並且功能細緻可以分為單個燈光控制和局域燈光控制。
目前我國大力推行用LED 燈取代白熾燈的政策，而且將在五年內實施完成，這一政策解決了照明耗電嚴重，使用壽命短的問題，此外，工程布線繁瑣安裝複雜，不易移動控制，能量消耗大、施工周期長、後期維護困難等這些問題仍然需要解決，Zigbee 技術的廣泛應用給目前的問題提供了一種解決方式，並且對於家庭生活和辦公樓宇而言達到了方便快捷的目的，對於綜合管理人員達到高效安全目的。文中提出了一種Zigbee 無線自組網技術與LED 節能燈相結合的設計方案， 實現對LED 燈的亮度進行連續調節和遠程控制的功能，詳細的介紹了軟硬體設計系統。
1 Zigbee 無線技術
Zigbee 技術是一種應用於短距離範圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間無線通信技術， 是一組基於IEEE批准通過的802.15.4 無線標準研製開發的，這就確定了可以再不同製造商之間共享的應用綱要。Zigbee 兼容的產品工作在2.4 GHz 這個全球通用的免費開放頻段， 這個頻段提供了16 個傳輸信道，每次通信都會自主選擇一個最乾淨幹擾最小的信道進行數據傳輸。在網絡層方面，可以採用星形和網狀拓撲，根據節點的不同功能，可分為中央協調器 Coordinator，路由節點Router 和終端節點FFD.在這3 種拓撲結構中，在星型網絡中不易實現Zigbee 的高級特色功能，即路由功能的，每個Zigbee 設備只能和PANC 直接通訊。網狀網絡是最複雜的，允許路由，而且路由的路徑是自動計算出來的最佳路徑，而且網絡建立後，任何一個設備失效，網絡中的設備會重新計算路由的路徑， 使得不影響網絡其他設備正常通訊。
所以本系統採用的是樹狀網絡結構，簡單且易於實現功能。
1.1 Zigbee 的優點與特性
1） 低功耗是Zigbee 技術最具優勢的地方。在通信狀態，Zigbee 終端耗電在幾十毫瓦左右，在省電模式下，耗電僅僅幾十μW，相當有一節乾電池可以工作近一年。
2） 可靠性：採用避免碰撞機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免發送數據時產生衝突；節點模塊之間具有自動動態組網的功能， 傳遞的信息在整個Zigbee 網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。
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） 有效範圍大：有效範圍在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 數據傳輸速率低， 協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： 第一個是中央協調器（Coordinator），負責建立網絡，以及分配網絡各個節點地置；第二個是路由器（Router），主要負責查找網絡、建立以及修複數據的路由路徑，並負責轉送數據，路由器可以與協調器通信，也可以與終端節點進行通信，路由之間也可以進行通信；第三個是終端節點（FFD），只能選擇加入已經形成的網絡，可以與路由器進行收發數據信息，但不能轉發信息，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：系統中每個終端節點或路由器分別控制一盞燈或多盞燈，每個節點會有單獨的網絡地址，手持控制終端通過無線模塊發送命令到協調器，協調器將收到的命令通過無線傳輸發送到各個節點。
2 系統硬體設計
調光功能的實現方法可分為兩種：類比和脈衝寬度調變（PWM）。採用類比調光技術時，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，所以本系統採用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，確保這個脈衝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。
硬體系統是由LED 燈驅動模塊、LED 電源驅動模塊和Zigbee 無線傳輸模塊等組成。硬體電路邏輯框圖如圖2 所示。
圖2 硬體電路邏輯框圖。
LED 燈驅動部分採用PT4207 驅動晶片，PT4207 是一款高壓降壓式LED 驅動控制晶片， 用於驅動一顆或多顆LED燈， 其輸入電壓範圍為20~450 V， 可以實現在85~265 VAC範圍內穩定可靠的工作，並保證系統的高效能。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 脈衝調光，將PWM 信號加到DIM 腳。PWM 信號低電平要小於0.35 V，高電平在2.5~5 V 之間， 為達到較好調光效果，PWM 信號脈衝頻率最好小於最低工作頻率的1%.簡單驅動原理圖如圖3 所示。
圖3 PT4207 的驅動原理圖。
Zigbee 無線通信模塊主要採用CC2530.CC2530 是用於2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它具有極高的接收靈敏度和抗幹擾性能， 能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程快閃記憶體，8-KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有32/64/128/256KB 四種不同的快閃記憶體版本，本系統採用的是256KB 快閃記憶體。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，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 位捕獲寄存器也用於記錄收到/發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 或軟體中其他時槽的協議設計。定時器3 和定時器4 是8 位定時器，具有定時器/計數器/PWM 功能。
3 系統軟體設計
軟體開發環境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作為Zigbee 開發的IDE.在TI Z Stack 協議棧的基礎上，編寫了系統的應用程式代碼，用VC 編寫上位機程序。
Z Stack 提供了豐富的調試函數調試接口。系統軟體主要包括協調器節點程序、路由器節點程序。協調器是第一級節點，負責組建網絡，網絡組建好後會分配節點ID 地址，協調器接收到手持控制終端發送的命令，發送控制命令到節點就可以實施相應控制，如圖4 是協調器的工作流程圖。
圖4 協調器工作流程圖。
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，協調器接收命令同時將控制命令發送到路由器或者終端節點，如果直接發送命令給路由器，路由器就會執行相應命令， 也可以通過路由器發送給終端節點，由終端節點執行相應命令。如圖5 是路由器（包含終端節點）工作流程圖。
圖5 路由器（包含終端節點）工作流程圖。
4 功能實現
控制終端是一手持遙控器，遙控器內設置了無線收發模塊，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點的ID 地址，通過對節點發送命令實現控制。可以對單個燈進行亮度調節，即向單個節點發送控制命令，也可以將部分節點組建一個區域網路存儲到遙控器中，對這個區域網路發送命令就可以實現區域網內所有節點的燈光控制。
5 結論。
通過Zigbee 技術實現了對燈光的無線控制，解決了家庭內部網布線複雜、擴展性差、價格高、功耗高和通信範圍存在盲區等問題， 實現了家庭住宅或者辦公場所的無線通訊，所構建控制系統具有低功耗、低成本，開發方便，易於擴展等特點，而且通過手持遙控器進行控制給人們帶來了便利。由於國家大力推行使用LED 節能照明燈， 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。基於Zigbee 技術的各種優點， 其在物聯網上的發展空間會很大，尤其是學校的宿舍，教學樓，圖書館或者食堂。
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