苏楚怡++黄金旭++刘灼权++孙鲁

摘 要：传统照明系统存在布线复杂、节能效果差、不易智能控制等缺点，文中介绍了利用物联网技术开发的智能LED照明系统，该系统具备可组网控制、上报环境亮度、自动调节亮度等功能。系统以CC2530作为主控芯片，结合TI推出的Z-Stack协议栈实现各照明节点的无线组网，并根据测量的环境照度进行亮度自动调节，具有易于控制、布线简单、节约能源等优点。

关键词：LED照明；组网控制；亮度调节；节能

中图分类号：TP212；TM923 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

随着物联网技术的飞速发展，照明技术开始进行智能化改造。无线传感器网络技术作为物联网技术重要的组成部分，为智能照明的实现提供了可能。以往的声控、光控虽然为照明提供了自动控制技术，但却未实现真正的智能照明。现代智能照明让照明设备的管理和使用无线化，摆脱开关、电线的局限。这种新的照明控制理念决定了无线通信技术在智能照明中的重要性。

目前，LED照明已逐渐成为主流、成熟的照明方式，然而在智能技术与LED照明技术融合方面还存在许多未被开发的领域，因此，对LED领域的智能技术开发势必引领LED照明技术走向更具有经济效益与实用价值的未来。

为了改进传统照明系统存在的布线复杂、节能效果差、不易智能控制等缺点，我们设计了一个基于ZigBee的智能照明系统，利用高可靠性的LED光源，配合具备网络结构优势的ZigBee物联网技术实现智能LED照明系统，将照明功能与监控功能合二为一，并为下一步扩展更多的监控功能留下空间，这不仅符合智能制造的趋势，更响应了国家节能减排的要求。通过智能控制提升产品的附加价值，如自动调光，定时控制，情景照明等，能很大程度上节约能源并提升用户的使用体验。

1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低、传输速率不高的电子设备之间进行数据传输，且具有低功耗、低成本、大容量、短时延、高可靠性以及灵活的网络拓扑结构等特点[1]。从技术性能来看，ZigBee具有低功耗、短延时、短距离、高安全、低速率、覆盖范围广、网络容量大等特点与廉价的市场定位，非常适合应用在照明系统中。ZigBee技术网络包含三种网络拓扑结构，即星型结构、树状结构和网状结构。

（1）星型拓扑结构包含一个协调器和多个终端，没有路由；

（2）树状拓扑结构是一个协调器和终端距离比较远，需要加路由的星型网；

（3）在网状拓扑结构中，协调器、路由、终端都可以通信[2]。

2 智能照明系统组成及原理

本系统按照网络结构可分为3大部分，即控制中心、数据采集与收发、照明节点，整体结构如图1所示。

2.1 控制中心

控制中心由协调器和上位机组成。

2.1.1 协调器

协调器负责建立ZigBee网络、分配网络地址，并将收到的光照数据通过串口方式传送至上位机，把上位机下发的指令通过ZigBee网络发送至各路由器节点。该部分基于支持Z-Stack协议栈的CC2530芯片进行设计，搭载无线PA电路，大大增强了无线传输的距离，以较低的成本构建了强大、稳定的ZigBee网络。上位机与协调器的连接如图2所示。

2.1.2 上位机

上位机包含数据查看（Check）和指令下发（Send）两大功能，用户可根据需求查看相应楼层的光照数据，并根据需要下发相应的指令（开关），该部分采用基于ARM Cortex-M4内核的STM32芯片设计，搭载4.7英寸电容触摸屏，结合μCOS-Ⅲ实时性嵌入式操作系统。μCOS是一个可基于ROM运行（ROMable）的、可裁剪的、抢占式实时多任务内核，具有高度可移植性，适用于微处理器和微控制器[3]，同时引入了emWin图形库，友好的人机交互界面极大地提升了用户体验。人机交互界面如图3所示。

2.2 数据采集与收发

数据采集与收发模块由路由器节点和光照传感器组成。

路由器基于CC2530和无线PA设计，主要作为终端照明节点的父设备，将来自协调器的指令传送给各终端节点和把采集到的外界光照数据通过ZigBee网络无线传输至协调器。由于路由器挂载光照传感器BH1750，它将根据采集到的外界光照，通过优化后的算法，发送合适的PWM数值指令至终端节点，终端节点输出对应的PWM信号调节亮度。ZigBee网络中协调器、路由器、终端的关系如图4所示。BH1750与路由器节点的电路连接如图5所示。

2.3 照明节点

照明节点由终端节点和LED电路组成。

2.3.1 终端节点

终端节点采用CC2530芯片和无线PA相结合进行设计，主要接收来自协调器的指令，并根据指令执行相应操作，当收到PWM数值时，它将由引脚输出PWM控制信号至LED驱动芯片；收到开关灯指令时，它将输出占空比为1的信号或者输出占空比为0的信号。

2.3.2 LED照明

LED照明部分采用四路串联共计28颗0.5 W/8 mm白光高亮LED灯珠，驱动部分采用TI出品的恒流驱动芯片CAT4104，恒流驱动是比较理想的LED驱动方式，它能避免因LED正向电压改变而引起电流变动，同时使LED的亮度稳定。CAT4104驱动电路如图6所示。

3 智能LED照明系统硬件组成

本系统主要涉及的硬件部分包括CC2530芯片、BH1750光照傳感器、STM32F407ZGT6系列芯片、CAT4104恒流驱动芯片。

3.1 CC2530芯片

CC2530系列芯片具有8 KB SRAM、32/64/128/256 KB闪存、2个16位定时器、2个8位定时器、1个支持7～12位分辨率的ADC、1个内置看门狗、2个串口、2个SPI、1个USB、21个数字I/O引脚。

3.2 BH1750光照传感器

BH1750环境光传感器内置16位模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，无需再做复杂计算。这是一种更精良和容易使用的简易电阻器版本，通过计算电压获得有效数据，它有1个I2C 总线接口（ f / s 模式支持），1.8 V 逻辑输入接口，无需任何外部零件且对光源的依赖性不大。

3.3 STM32F407ZGT6系列芯片

STM32F407ZGT6系列芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、12个16位定时器、2个32位定时器、2個DMA控制器、3个SPI、2个全双工I2S、3个I2C、6个串口、2个USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100 M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器以及112个通用I/O口等[4]。

3.4 CAT4104恒流驱动芯片

CAT4104是安森半导体公司研发的一款LED恒流驱动芯片，通过由一个外部电阻连接到RSET引脚，该芯片内部设有1.2V基准源电路，可以为四条LED通道提供每条高达175mA的恒定电流。芯片的LED通道引脚兼容的高电压达到25V并且支持长串LED应用[5]，还有PWM控制输入口，支持高频PWM波调光控制。具有过热保护功能，芯片温度达到150℃时关闭LED通道的输出。

3.5 电源部分电路

由于本系统使用的CC2530芯片的工作电压为3.3 V（由电池独立供电），而恒流驱动芯片CAT4104的工作电压为5 V，LED部分的供电电压为24 V。故使用24 V电源降压提供5 V电源，以保证各模组正常工作。电源部分电路如图7所示[6]。

4 智能LED照明系统软件设计

整体系统的程序在IAR软件环境下进行编写和编译，主要函数包括Z-Stack协议栈、模块初始化、函数调用等，程序的模块化易于查错、修改及维护。

//协调器接收来自上位机的数据

void SampleApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{

uint16 temp；

uint8 asc_16[16]={'0'，'1'，'2'，'3'，'4'，'5'，'6'，'7'，'8'，'9'，'A'，'B'，'C'，'D'，'E'，'F'}；

switch （ pkt->clusterId ）

{

case SAMPLEAPP_ADDR1：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取设备1的短地址

Addrtable[1]=temp；

UsartBuf[0]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR2：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取设备2的短地址

Addrtable[2]=temp；

UsartBuf[1]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR3：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取设备3的短地址

Addrtable[3]=temp；

UsartBuf[2]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR4：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取设备4的短地址

Addrtable[4]=temp；

UsartBuf[3]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

case SAMPLEAPP_ADDR5：

temp=pkt->srcAddr.addr.shortAddr；//提取设备5的短地址

Addrtable[5]=temp；

UsartBuf[4]=pkt->cmd.Data[0]；

break；

}

}

//发送终端监测到的光照强度数据

void SampleApp_Senddata（ void ）

{

uint8 Txdata[3]；

read_BH1750（）；

ctrl_myself（liangdu）；

storage_percent（liangdu）；

Txdata[0]=ge；

if （ AF_DataRequest（ &Point_To_Point_DstAddr， &SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_ADDR1，

1，//字节数

Txdata，//指针头

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS ）

{

}

else

{

// Error occurred in request to send.

}

}

5 结 语

经测试，本系统按预期实现了各相关功能。在经过多次电路改进并调试后，电路设计上减少了各模块之间的干扰，优化后的模块化程序设计使得系统更加稳定。本系统利用ZigBee 技术设计的LED照明系统实现了灯光的远程控制和自适应调节，提高了照明系统的智能化，大大降低了照明能耗。测试结果表明，本系统工作稳定，运行效果良好，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1]杜军朝，刘惠，刘传益，等.ZigBee技术原理与实战[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]金纯，罗祖秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]吴明晖，徐睿.基于RAM的嵌入式系统开发与应用[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4]刘军，张洋，严汉宇，等.精通STM32F4（第1版）[M].北京：北京航天大学出版社，2013.

[5]王晏，韩宏伟.LED照明产业的现状与前景分析[J].青海科技，2010，17（5）：18-22.

[6]侯振义，夏峥，柏雪倩，等.直流开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7]李梦.一种新型LED驱动电路设计[J].物联网技术，2014，4（10）：24-25.

[8]王通，梁晓娟.大功率可调光LED驱动的设计与实现[J].物联网技术，2015，5（10）：71-72.