基于ZigBee的智能LED路灯控制系统设计

摘 要：文章详细介绍了一种新型的基于ZigBee的智能LED路灯控制系统，它通过PWM（Pulse-Width Modulation）调光技术分时段对路灯进行光照强度的调节，区别于传统路灯的亮灭两种状态。其中，系统的路由节点和协调器节点选用TI公司的CC2430芯片作为光照数据采集处理的节点硬件平台。

关键词：ZigBee；LED路灯；PWM；CC2430

引言

文章设计的智能路灯控制系统的路由节点和协调器节点选用TI公司的CC2430芯片作为光照数据采集处理的硬件平台，并且具体讨论了采用CC2430芯片LED路灯照明系统的设计方案。该方案实现了无线智能化亮度可调的照明技术和系统运行过程中对其实时监控的功能。文章对基于ZigBee的智能LED路灯控制系统进行了整体的设计，分别实现系统的节点硬件和软件的具体功能[1]。

1 系统的方案设计

基于ZigBee协议的智能LED路灯控制系统可以分为三个部分：

（1）终端控制：控制中心利用上位机软件对系统进行整体监控，实时监控路灯运行状态和接收采集到的信息。

（2）远端接入：由GPRS与ZigBee协调器共同组成，控制中心通过 Internet 发出的控制信号由GPRS接收后转为ZigBee信号传输至每盏路灯[2]。路灯网络上传至网关的各种参数信息也由GPRS发送至控制中心。

（3）单灯控制：每盏路灯都装有基于ZigBee的无线路灯控制器，它们一方面接收协调器发出的ZigBee信号并执行相应的操作，另一方面采集电流、电压、光照度等信息传输至控制中心，并可以根据需求产生PWM信号至LED驱动来调节路灯的亮度。

系统方案设计框图如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 LED驱动电路设计

该系统选用HV9911芯片来设计变压电路来驱动LED，HV9911是一款高电压PWM LED驱动控制芯片，而且不需要额外的电压，因为它有一个9V-250V DC的输入电压稳压器，可以由单一输入电压提供工作电源。

图2为利用HV9911芯片设计的LED驱动电路。J1A和J1B为电压输入引脚，其输入范围为130V～250V DC。J2A、J2B为输出引脚，输出电压范围是20V～100V DC。可以通过J3C脚输入PWM信号来调节HV9911输出电流的占空比。PWM调光原理：利用PWM信号的不同占空比来控制LED的通断时间，从而改变流过LED路灯的平均电流，达到调光的效果。若PWM的脉冲宽度为ton，脉冲周期为T，则其占空比D=ton/T，改变占空比D的大小就可以改变LED的亮度了。

2.2 电压电流采集模块

如图3，将R1电阻两端分别接端口±IN，然后按照要求连接芯片的外围电路，此时引脚6的输出值应该是R1两端的电压。采用小阻值电阻R1产生的电压对LED 电流进行采样，将采样的小阻值电阻串联到LED 电流回路中，由于阻值非常小，它对LED 的回路电流造成的影响可忽略不计。

2.3 光照度采集模块

由于光敏电阻的线性比光电三极管要差，会使得测量的数值不精确，因此选择光电三极管。光电三极管随着光照强度的不断变化，其阻值也会随之发生变化，从而引起电路电流的变化[3]。基极的光电流通过ADC通道连接CC2430芯片的P0.7端口。包含光电三极管的光照度采集电路如图4所示。

2.4 硬件的总体设计

图5是CC2430硬件节点电路，其硬件系统主要包括：CC2430主控芯片、32M系统时钟、供电接口、调试接口和天线。其中C1和C4是晶振的负载电容，C5、C11、C12为去耦合电容，对电源进行滤波来提高芯片的稳定性；R4、R5为偏置电阻，为32M晶振提供合适的工作电流。电感L1、L2、L3和电容C10以及微波传输线组成一个非平衡变压器，该结构符合输入输出匹配阻抗的要求。其中，ADC通道P0.7连接光电三极管用于对环境亮度的采集[4]。

3 智能LED路灯控制系统的软件设计

文章采用Microsoft的Visual Studio2010开发平台，并通过C#语言开发上位机的监控软件。实验室条件下设计的2路灯上位机监控软件主界面如图6所示。

系统工作时首先进行界面的初始化，将路灯1、2的显示界面关闭，然后等待用户去设置串口，以及按下开启监控按键。如果用户按下按键后串口不存在，则弹出错误重新选择串口号。如果配置正确将会等待ZigBee 协调器发送数据，收到数据后通过程序区别路灯1与路灯2，将会显示在主界面上，主要有路灯状态、路灯亮度、LED路灯电压、环境亮度等级、时间以及雷达监测状况。

4 结束语

文章除了使用ZigBee无线传感器网络来实现路灯控制系统的无线通信外，还要实现灯的智能控制，采用照度传感器触发和上位机实时控制的方式来控制路灯的开启、关闭和自动亮度调节。系统预先设置不同的场景模块，利用PWM占空比可调来实现不同的照明需求时段自动调入所需的场景。本系统还使用了LED作为光源，在提高系统的信息化、智能化的同时，还大大降低了电能的消耗，符合国家绿色发展和节能减排的需要。

参考文献

[1]申利民，翁桂鹏.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计[J].中国照明电器，2011（2）：26-29.

[2]李旭亮，邓国强.基于ZigBee+ GPRS智能控制的LED路灯绿色照明低碳经济新技术[J].照明工程学报，2010，21（Z1）：78-81.

[3]鲁进，郭利进.基于ZigBee的LED路灯照明系统设计与研究[J].微型机与应用，2013，

32（9）：78-80.

[4]陈晓艳，高伟，秦欢，等.基于GPRS与ZigBee的LED路灯智能监控系统设计[J].电子测量技术，2013（10）：62-66.