摘要：针对当前传统照明系统存在的手动操作、布线复杂等缺陷，以及无法满足环境采集、线性调光要求的不足，提出了一种基于ZigBee无线传感网络的LED照明控制系统设计方案。该系统采用CC2530芯片，利用网状（Mesh）拓扑结构的ZigBee2007/PRO无线传感网络实时采集照明现场的光照度、移动目标、温度、LED状态等参数，随着环境参数变化以及预先设置的照明模式（手控、自控），控制系统自动做出智能判断，实现了PWM线性无极调光；基于VC6.0平台开发的PC上位机对LED照明控制系统进行了实时监控、集中管理，克服了传统照明管理落后、单一控制、人员浪费的缺陷。研究结果表明，该系统可实现“传感器节点实时采集环境参数，ZigBee遥控器准确控制，PC上位机集中管理”的设计目标，且实验数据理想。
关键词：ZigBee；无线传感网络；LED；照明控制；CC2530；PWM调光
0引言
随着社会科技的不断发展，人们对楼宇照明的网络化、智能化、无线化的需求越来越强烈。楼宇建筑采用智能化照明系统来集中管理照明终端是照明领域的新热点。在传统照明系统中，用户采用人工管理、手动开关控制照明灯具，无法实现自动线性调光和上位机集中管理，电能浪费、人工浪费严重，“长明灯”现象时有发生［1］。相比总线型控制技术，ZigBee无线传感网络照明技术无需繁琐布线，具有全自动组网、近距离、低成本、低功耗等优势［2－3］。
本研究提出的照明方案综合节能灯具LED和ZigBee无线照明控制系统的优势，有手控和自控模式可选，在实现LED手动开关和调光控制的同时又可依据环境参数变化自动完成LED的PWM的256级线性调光，可实现照明系统的无需布线、自动组网、环境采集、线性调光和集中管理。
1LED照明系统方案
ZigBee无线传感网络节点存在3种逻辑设备类型：Coordinator（协调器）、Router（路由器）和End-De-vice（终端设备）［4］，使用2.4GHz的ISM频段，传输速率为250Kbit/s。
LED照明控制系统方案框图如图1所示。该控制系统采用ZigBee2007/PRO［5］网状（Mesh）拓扑结构，减缓数据传输延时，增强了网络“自愈”能力。借助路由中转节点，ZigBee无线传感网络中的数据信息可以实现多跳网络传输，同时倒F型PCB天线的通信距离足以覆盖整幢楼宇。为了实现用户与LED照明控制系统进行人机界面交互式操作，协调器连接一台PC上位机作为服务器节点，通过RS232通信将实时采集的环境参数和LED工作状况等信息上传至PC显示，方便用户开展一站式的集中管理。
ZigBee无线传感网络LED照明控制系统中的房间子系统布局实例如图2所示。对应一个路由设备和若干终端设备。房门入口上方为路由节点A，它负责系统数据信息中转，同时采集进入房间的移动目标。会客室和影音室分别为传感器终端节点B、D，配备人体红外传感器、DS18B20温度传感器、PT4115驱动器［6］，餐厅和主卧为传感器终端节点C、E，配备人体红外传感器、光照传感器、PT4115驱动器，负责采集移动目标、温度、光照度等参数，B、C、D、E共同实现LED照明系统环境信息采集，并依据参数变化实现LED的PWM线性调光。
2LED照明系统硬件实现
LED照明控制系统采用TI公司CC2530芯片作为核心处理器，该芯片集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE于一体，内置了RF收发器、增强版8051CPU、可编程闪存Flash、256KBRAM等功能［7］；选用2节1.5V干电池为节点模块提供电源，这些特性可以为LED照明控制系统提供一个完整可行的ZigBee无线解决方案。
2.1终端节点设计
LED照明控制系统终端节点电路框图如图3所示。终端节点的外围电路集成了PT4115驱动源、光电隔离继电器［8］、光照度传感器、移动目标传感器、温度传感器、电源管理、RS232通信、JTAG等模块。传感器实时采集环境参数（光照度、移动目标、温度）；继电器实现对LED开关量控制；PT4115应用脉冲恒流源驱动技术控制电流脉冲频率和占空比实现LED的PWM无极调光，达到合理照明度。同时，CC2530控制器将传感器采集到的环境参数经路由节点传送至协调器处理器与用户预先设定参数逐一比对，并做出快速响应。
2.2协调器、路由节点设计
协调器节点硬件模块实物图如图4所示。协调器、路由节点采用CC2530F256芯片［9］为MCU，外围电路类似于终端节点，但无需各类传感器模块、继电器模块和PT4115驱动器模块，对复杂数据的综合处理能力远远大于其他节点。LCD模块实时显示ZigBee无线传感网络的组网信息；LED指示灯显示网络连接状态；ZigBee遥控器模块可以进行手控和自控两种模式之间切换，手控模式下，用户可以用ZigBee遥控器远程控制LED照明系统的操作，自控模式下照明系统依照环境参数变化全自动智能控制整个系统运作；协调器节点的通讯接口采用标准RS232，与PC服务器节点建立双向通信，以实现LED照明控制系统的一站式集中管理。
3LED照明系统软件实现
3.1下位机控制软件实现
下位机控制软件包括3部分：协调器节点、路由节点和终端节点［10］。协调器负责设备启动、选择信道和网络标识符［11］、路由维护等，同时将终端和路由节点采集回来的环境信息与用户预先设定参数逐一比对，综合分析，并判断出执行动作；路由和终端节点入网成功后实时采集LED照明控制现场的环境信息以及LED工作状态，并无线传送回协调器控制器。该LED照明控制系统中，协调器节点通过RS232串口每隔1s将照明现场的环境参数（移动目标、光照度、温度等）和LED工作状态上传至PC上位机并实时显示，又能将PC服务器的用户控制命令转发至无线传感网络中其他路由和终端节点，下位机控制软件流程图如图5所示。3.2上位机监控软件实现
LED照明控制系统上位机数据管理监控界面如图6所示，以VC6.0平台进行开发，快速实现PC与ZigBee无线传感网络的通信［12］。照明系统可由界面的按钮设置“手控模式”、“自控模式”。PC机实时接收照明现场的环境参数和LED工作状态，移动目标、光照、温度3个参数以曲线和图表双重形式显示，LED状态、异常报警则以图表显示。PC上位机还集成数据库，将重要数据自动保存，用户随时可以调用和查看历史数据并打印。
4实验及结果分析
本研究利用IAR7.51软件打开ZigBee协议栈，把工程文件分别编译成协调器、路由器、终端节点的可执行程序，并下载到各模块中。LED照明控制系统实物图与不同照明度LED灯具图如图7所示。
协调器网关节点用RS232串口线连接至PC机，用户双击运行上位机软件，然后先把协调器上电，LED3和LED4亮，接着路由和终端节点分别上电，LED2、LED3、LED4都亮后按下路由和终端节点的右键，LED1亮，最后进入PC上位机软件选择正确COM1口后“打开串口”，并单击“自动刷新开”，此时成功建立了下位机与上位机的双向通信，LED照明控制系统开始正常运转。
4．1自控模式测试
LED照明系统依照环境参数变化实现全自动智能控制。
首先，用户在上位机界面选择“自控模式”按钮或者用ZigBee遥控器“SET”键切换为“自控模式”，传感器节点将照明现场实时采集的环境参数（光照度、移动目标、温度）和LED状态反馈给协调器；协调器综合分析环境参数后做出智能判断，并发出LED控制命令；PC上位机实时显示传感器节点采集的环境参数、LED工作状态和异常报警。实验结果如图6、图7所示。图6中温度为28.9℃、30.8℃、27.6℃、30.9℃；光强为283lx、325lx、278lx、348lx；移动目标为3、0、2、1。照明系统预设的平均光照度为300lx，节点2、4的自然光照度超过300lx，且节点2房间无移动目标，所以LED灯控为节点1、3的LED点亮，节点2、4的LED熄灭。异常报警栏为LED全部工作正常，无Alarm报警。
4．2手控模式测试
通过墙壁开关、上位机界面或ZigBee遥控器实现对LED手动控制，自我记忆。
首先，用户在上位机界面上选择“手控模式”按钮或者用ZigBee遥控器“SET”键切换为“手控模式”，与“自控模式”唯一不同在于协调器不做任何的环境参数综合分析和智能判断，仅仅作为数据和控制命令传输中转站，将上位机界面和ZigBee遥控器发出的LED控制命令转发给所有终端节点。监控界面的“LED灯控”和“异常报警”可以用于手动控制对应房间LED亮灭与报警。ZigBee遥控器“UP”和“DOWN”键为LED的PWM调光档，实现0～100%线性无极调光；“25%”、“50%”、“75%”、“100%”为LED调光快捷键，用于实现4个常用档位调光；“SCENE1”、“SCENE2”、“SCENE3”、“SCENE4”为LED情景键，用于选择对应房间LED；“ALONE”键为独立键，用户在选择情景键后再配合独立键，才能单独控制情景键选中的LED；“ON/OFF”键为LED开/关键，用于关灯前自我记忆LED状态，为下次开灯提供LED情景和调光信息。实验结果如图7所示，系统可实现LED开关控制、情景设置以及从0～100%照明度PWM线性调光。
4．3结果分析
经实验验证，该ZigBee无线传感网络LED照明控制系统运行正常、稳定，有手控模式和自控模式可选，在实现LED手动开关和调光控制的同时又可依据环境参数变化自动实现LED的PWM的256级线性调光。节点模块数据收发天线采用单端非平衡倒F型PCB天线，与电路板一体，数据多跳传输满足收发距离要求，在室内障碍空间传输距离可达80m以上，在空旷无障碍空间可达150m以上，若附加CC2591距离扩展器模块可增加至250m以上。综上所述，该系统设计均符合设计要求。
5结束语
该系统是基于ZigBee无线传感网络的一个典型应用，照明模式有手控、自控模式可选，在满足用户合理照明度的前提下最大限度减少“长明灯”现象，降低电能消耗，克服了传统照明控制系统布线复杂、管理落后、单一控制、电能浪费等缺陷。
实验测试结果表明，该LED照明系统实现了“传感器节点实时采集环境参数，ZigBee遥控器准确控制，PC上位机集中管理”的设计目标，目前在智能建筑、智能家居的高档别墅和住宅中具有很大市场竞争力，同时随着住户对照明品质的要求越来越高，应用前景十分广阔。