發(fā)布時(shí)間：2018/10/31 13:08:18 來(lái)源：本站
基于 ZigBee 無(wú)線調(diào)光的LED路燈控制系統(tǒng)主要由位于控制中心的中央控制模塊和路燈系統(tǒng)組成。控制中心由多個(gè)控制終端組成，用于實(shí)時(shí)靈活地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。路燈系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器模塊和路燈模塊。協(xié)調(diào)器模塊包括GPRS終端、 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；路燈模塊包括各ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)以及120 W路燈驅(qū)動(dòng)器。路燈系統(tǒng)用于接收來(lái)自中央控制模塊的指令進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的無(wú)線控制。根據(jù)程序設(shè)定或操作人員指令，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商搭建的 GPRS網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)發(fā)送至各 GPRS 模塊，并由其下轄的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出PWM波占空比增加或減少指令。各路由器節(jié)點(diǎn)接收協(xié)調(diào)器或上級(jí)路由器的指令，根據(jù)指令增減 PWM 波占空比并輸出，通過(guò) LED 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)無(wú)線調(diào)光控制。同時(shí)路由器節(jié)點(diǎn)還可將指令傳輸給其他路由器節(jié)點(diǎn)。
中央控制模塊中的Web網(wǎng)頁(yè)端、手機(jī)App、PC端等平臺(tái)，將指令傳遞到控制中心�？刂浦行耐ㄟ^(guò)現(xiàn)有的基站，使用GRPS 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將指令下發(fā)至路燈系統(tǒng)的 GPRS 模塊。GPRS 模塊再將指令發(fā)送至其下轄的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)[1]。本設(shè)計(jì)路燈系統(tǒng)中的ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)基于 CC2530 芯片搭建。CC2530是用于ZigBee 和RF4CE的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，其內(nèi)部模塊大致分為中央處理器和存儲(chǔ)器模塊，時(shí)鐘和電源模塊，外設(shè)和無(wú)線通信模塊三類(lèi)[2]。其集成化程度較高，能夠節(jié)約硬件成本，簡(jiǎn)化布線工作，降低系統(tǒng)能耗，增強(qiáng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。
CC2530內(nèi)嵌RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊。當(dāng)CC2530接收到無(wú)線信號(hào)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大，再通過(guò)數(shù)字邏輯單元濾波等，最后經(jīng)過(guò)D/A變換，通過(guò)功率放大器傳輸?shù)教炀�，將信號(hào)發(fā)送出去，完成數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。
CC2530芯片內(nèi)部系統(tǒng)的時(shí)鐘源既可以選擇16 MHz的RC振蕩器，也可以選擇32 MHz 的晶體振蕩器。但是，若需要運(yùn)行RF收發(fā)器，則必須選擇高速且穩(wěn)定的32 MHz的晶體振蕩器。
CC2530芯片為了實(shí)現(xiàn)低功耗的目標(biāo)，提供了五種不同的運(yùn)行模式，即主動(dòng)模式，空閑模式，PM1，PM2和 PM3[3]。主動(dòng)模式是完全功能的運(yùn)行模式，而 PM3是用于獲得最低功耗的工作模式，所有的振蕩器都不運(yùn)行。通過(guò)運(yùn)行模式的調(diào)節(jié)，可以顯著降低功耗，符合節(jié)能的需求。
P0口可用作ADC輸入口，可通過(guò)軟件設(shè)置使用內(nèi)部參考電壓。將其應(yīng)用于本設(shè)計(jì)中，能夠?qū)﹄妷�、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理異常情況。CC2530及外圍電路如圖2所示。
圖2 CC2530及外圍電路
根據(jù)交流電220 V，50 Hz的準(zhǔn)則及系統(tǒng)供電需求，供電模塊主要分為兩部分：一部分是AC-DC電路，另一個(gè)部分是DC-DC電路。
2.3.1 AC-DC 電路
AC-DC電路是將220 V的交流電先通過(guò)EMC濾波電路進(jìn)行濾波，盡量消除輸入電壓中的諧波，再通過(guò)橋式整流電路將交流電整流為直流電。AC-DC供電產(chǎn)生電路如圖3所示。
圖3 AC-DC供電產(chǎn)生電路
2.3.2 DC-DC 電路
本系統(tǒng)需要兩種不同的直流電壓，3.3 V 給芯片CC2530供電，12 V給調(diào)光電路中的比較芯片LM2902等供電。因此，DC-DC模塊由兩個(gè)電路組成：一個(gè)將LLC振蕩電路產(chǎn)生的35 V電壓降為12 V，另一個(gè)將 BUCK 電路產(chǎn)生的12 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V。
BUCK電路采用MP2459芯片及外圍電路構(gòu)成，MP2459是一個(gè)降壓、內(nèi)置功率MOSFET的開(kāi)關(guān)型變換器[4]。BUCK降壓電路如圖4所示。
圖4 BUCK 降壓電路
3.3 V降壓電路采用AMS1117-3.3芯片及外圍電路構(gòu)成，是一個(gè)低漏失的三端線性穩(wěn)壓器[5]，具有精度高、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。3.3 V供電產(chǎn)生電路如圖5所示。
圖5 3.3 V供電產(chǎn)生電路
本設(shè)計(jì)采用流控的方式來(lái)調(diào)節(jié) LED 燈的亮度。CC2530定時(shí)器產(chǎn)生頻率為57 kHz可調(diào)占空比的PWM波，經(jīng)兩個(gè)電容濾波后，輸入運(yùn)算放大器正輸入端，經(jīng)放大后輸出。由此實(shí)現(xiàn)芯片口3.3 V到12 V方波的轉(zhuǎn)換。此外電壓跟隨器用于隔離前級(jí)和后級(jí)電路，使得前級(jí)和后級(jí)電路之間互不影響、干擾，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。調(diào)光電路的部分電路如圖6所示。
圖6 調(diào)光電路的部分電路圖
調(diào)光電路中的運(yùn)算放大器選用LM2902 芯片，此芯片由4個(gè)獨(dú)立、高增益的運(yùn)算放大器組成，專(zhuān)為在各種電壓范圍內(nèi)的單電源供電。LM2902的應(yīng)用包括傳感器放大器，直流放大器以及所有常規(guī)的運(yùn)算放大器電路。
軟件方面采用TI公司針對(duì)自身生產(chǎn)的 CC系列芯片設(shè)計(jì)的Z-Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧符合ZigBee-2006和ZigBee-2007規(guī)范[6]。用IarIdePm軟件及C語(yǔ)言編寫(xiě)程序。根據(jù)該系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的程序主要包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序、串口反饋程序、狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序和PWM波產(chǎn)生程序。此處主要介紹了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序和PWM波產(chǎn)生程序。
當(dāng)控制中心發(fā)來(lái)指令或終端設(shè)備有信息反饋時(shí)，調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序完成數(shù)據(jù)傳遞。
在發(fā)送部分的程序設(shè)計(jì)中，定義了一個(gè)字符數(shù)組COCMD[7]來(lái)存儲(chǔ)指令，數(shù)組中包含設(shè)備識(shí)別符、目標(biāo)設(shè)備ID、PWM大小/增減。發(fā)送的數(shù)據(jù)包括目的地址、端點(diǎn)地址、傳送模式、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及任務(wù)、ID等，其發(fā)送函數(shù)的源代碼如下：
接收端處理函數(shù)通過(guò)識(shí)別判讀消息來(lái)源與目的設(shè)備ID來(lái)確認(rèn)消息是否發(fā)送給本端，再根據(jù)指令中的內(nèi)容正確調(diào)整PWM波預(yù)設(shè)值，并存入value以調(diào)整亮度。接收端處理函數(shù)流程如圖7所示。部分源代碼如下：
圖7 接收端處理函數(shù)流程圖
本調(diào)光系統(tǒng)利用CC2530的定時(shí)器1來(lái)生成PWM波，通過(guò)調(diào)整高電平和低電平的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)LED燈的調(diào)光。PWM波通過(guò)比較模式產(chǎn)生，其周期由T1CC0L和T1CC0H決定，輸出占空比由T1CC2L和T1CC2H決定。通過(guò)修改 T1CC2L值來(lái)改變PWM波的占空比。PWM波產(chǎn)生函數(shù)流程如圖8所示。定時(shí)器1控制產(chǎn)生PWM波的源代碼如下：
圖8 PWM波產(chǎn)生函數(shù)流程圖
圖9展示了系統(tǒng)硬件實(shí)物圖。協(xié)調(diào)器模塊包含有GPRS模塊及以CC2530芯片為核心的 ZigBee協(xié)調(diào)器；路燈模塊包含有以CC2530芯片為核心的ZigBee路由器與LED驅(qū)動(dòng)電路。
圖9 系統(tǒng)展示圖
本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線調(diào)光的LED路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的前提下，結(jié)合GPRS模塊，合理有效地實(shí)現(xiàn)了控制中心對(duì)LED路燈的遠(yuǎn)程無(wú)線調(diào)光，不僅節(jié)約了電能，更大大減少了成本投入，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
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