ZigBee无线自组网的LED节能灯控制系统

2011-08-09 14:55:30来源: 互联网 关键字:自组网  ZigBee技术  无线数据传输  WSN  LED

  引言

    传统的照明系统大多采用有线连接,铺线麻烦,价格昂贵,不易扩展,安装复杂,不易移动维护,能量消耗大。针对传统照明的不足,可以采用无线数据传输来代替有线传输。ZigBee技术是一种新型的具有统一技术标准的无线通信技术,应用于短距离范围内的低速率传输,具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点,非常适合照明系统的使用。另外,可以利用现在IC行业的快速发展,使用高效低能的驱动技术来减少照明成本,从而达到节能减排的目的。本文介绍了一种利用ZigBee无线传感器网络技术对LED节能灯实现远程控制的方案,给出了详细的软硬件设计。

  1 自组网控制系统及工作原理

  为实现故障检测、温度检测、电压检测、亮度检测和控制以及故障报警等功能,自组网控制系统采用了图1所示的设计。

自组网控制系统设计示意图

  整个无线网络是由终端节点(ZigBee Endpoint,ZE)、路由(ZigBee Router,ZR)、和协调器(ZigBee Coordinator,ZC)3种设备构成。其中终端是简化功能设备(Reduced Function Device,RFD),只能与路由或者协调器直接通信。路由是全功能设备(FuU Function Device,FFD),既可以和路由和终端直接通信,也可以和协调器直接通信。协调器是PAN协调器(PANC),负责一个PAN区域的网络建立及管理。协调器收集所有节点和路由的信息,通过RS232发给监控计算机来确定灯的亮度、环境温度、电池电量等。

  工作原理:系统中每个终端、路由分别控制一盏灯,每个灯对应一个ID(终端或路由加入网络时由协调器自动分配),各个节点和路由将传感器收集的数据通过无线发送到协调器,协调器将收到的数据通过串口发送到监控计算机。如果LED灯出现故障,检测电路会产生报警信号,报警信号最终会发送到监控计算机,计算机会提示工作人员故障灯的ID,让维护更便利。另外终端的光敏传感器会收集光照的程度,然后由终端自动的调整光照的亮度。

  终端也会将自身的供电电压传送到监控计算机,以防节点缺电而影响使用。

  2 系统硬件设计

  系统是由电源模块、无线传输模块(CC2530、温度检测、电压检测)、LED驱动模块、LED检测模块等组成,具体硬件电路逻辑结构如图2所示。其中电源模块是采用市面常用的ASM1117-5.0和ASM1117-3.3,原理简单易懂。下面主要介绍无线通信模块和LED驱动模块。

  无线通信模块采用TI公司的CC2530模块,CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8 KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256(分别具有32/64/128/256 KB闪存)。CC 2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短,进一步确保了低能源消耗。CC2530优良的性能和具有代码预取功能的低功耗、8051微控制器内核、32/64/128 KB的系统内可编程闪存、8 KBRAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力并且支持硬件调试,具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。它的可编程输出功率高达4.5 dBm,并且只需极少的外接元件。硬件电路结构框图如图3所示,其中光控单元采用TPS851芯片,温控模块采用TC77。


  LED驱动模块采用的芯片是PT4115。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源,用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输人电压范围从6~30 V,输出电流可调,最大可达1.2 A。根据不同的输入电压和外部器件,PT4115可以驱动高达数十W的LED。PT4115内置功率开关,采用高端电流采样设置LED平均电流,并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3 V时,功率开关关断,PT4115进入极低工作电流的待机状态。驱动原理图如图4所示。PT4115和电感L、电流采样电阻RS形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压、恒流LED控制器。VIN上电时,L和RS的初始电流为零,LED输出电流也为零。这时候,CS比较器的输出为高,内部功率开关导通,SW的电位为低。电流通过L、RS、LED和内部功率开关从VIN流到地,电流上升的斜率由VIN、L和LED压降决定,在RS上产生一个压差VCSN,当VIN-VCSN>115mV时,CS比较器的输出变低,内部功率开关关断,电流以另一个斜率流过L、RS、LED和肖特基二极管(D),当VIN-VCSN<85 mV时,功率开关重新打开,这样使得在LED上的平均电流为I。I=(0.085+0.115)/(2×RS)=0.1/RS。

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