一种ZigBee传感器实现的景观LED系统设计

　　摘 要：太阳能LED照明系统作为绿色能源，近年来得到广泛应用。本文为您介绍一种简单可靠、部署方便的太阳能景观照明控制系统，该系统通过ZigBee无线传感器网络架构，实现系统内照明单元的光强及色彩控制，使用轮询机制解决各照明单元状态实时采集以及广播帧同步协同照明单元完成场景转换，所有系统信息通过GPRS网络由上位机控制软件集中处理。

　　1 系统结构

　　景观照明系统主要由照明单元、场景控制器与监控主机三部分构成，如图1所示。景观照明系统工作人员通过监控主机实现对整个景观系统各照明单元工作状态的检测、管理与控制，系统中设置一台监控主机，主机是一台连入Intenet、安装了景观照明系统监控软件的计算机。场景控制器及其所控制的照明单元是系统的基本组成单元。监控主机通过互联网和GPRS无线网络与系统保持信息交互，系统中根据景观照明规模与应用环境决定场景控制器台数，每个场景控制器控制协同1~127个照明单元运行。由于景观照明对实时性要求低于工业控制系统且所需传递信息量少，景观系统局部通信采用ZigBee无线传感器网络（WSN），照明单元完成WSN传感器网络设备（device）功能，而场景控制器则实现无线传感器网关功能并充当各自传感器网络的协作器（Co-ordinator），负责各传感器设备的组网及数据传递管理。系统中照明单元除完成传感器设备功能以外，需完成的工作包括采集本照明单元检测数据、根据系统要求发送数据、蓄电池充电管理、照明控制等。

　　图1 景观照明系统组成

　　2 功能设计

　　2.1 照明单元

　　照明单元主要组成包括太阳能电池板（组）、电源管理模块、蓄电池（组）、LED灯控制模块、无线收发模块。

　　太阳能板（组）将光能转换为电流，经电源管理模块为蓄电池（组）充电。景观照明系统开启后，电源管理模块将蓄电池（组）存储的电能转换为LED灯照明所需的12V直流电，电源模块实时检测蓄电池的电压，当蓄电池电压低于阀值，模块自动将LED供电转入市电，并完成220V交流电到12V直流电转换。

　　LED灯控制模块根据场景设置需要完成LED灯的开关、调色、调光。LED灯目前通常采用1W 或3W的灯珠封装而成，透过不同的荧光粉LED灯珠可发出不同颜色的光。LED灯珠的封装方式有串联、并联、混联三种，可根据景观照明的色彩需求与亮度要求选择LED灯珠封装方式。景观照明系统中为达到更好的色彩还原性，系统中采用红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色灯珠统一封装混联模式。LED灯控模块控制RGB三种颜色灯珠的亮度，通过透镜后形成多种色彩。控制LED灯珠亮度可以通过改变LED灯珠电流与调整LED灯珠点亮时间两种方式实现，相对改变电流调整方法，利用LED高闪断特点改变LED点亮时间更加简单且容易实现，是当前主要采用的调整灯珠亮度的方式。图2为LED灯中一路灯珠（红色）的控制原理示意图，集成电路U1是恒流源芯片（XLT604），同时为红、绿、蓝三色灯珠提供电源，PWM 引脚控制产生恒流源电流大小。MCU 的P1.5发出PWM 信号，占空比不同导致红灯珠点亮时间不同，从而使得红灯珠发光亮度不同，MCU P1.2引脚的高低电平则用于判断红灯珠是否损坏。

　　图2 LED灯珠控制电路。

　　每个照明单元发光颜色是由监控主机统一控制，监控主机下达控制指令包含的参数有：场景代码，红、绿、蓝闪断占空比，启动时间与终止时间。其结构为：

　　Struct LEDcontrol{

　　Number:uint8;

　　Red:uint8;

　　Green:uint8

　　Blue:uint8;

　　Begintime:uint16;

　　Endtime:uint16;

　　Struct LEDcontrol*next;

　　}

　　照明单元中按照启动时间（单位：s）顺序维护控制参数顺序链表。照明单元的转换控制流程如下：

　　Int Sence_exchange（LEDcontrol* CUR）

　　{

　　Int result=0;

　　Getcurrenttime（Time）;

　　If（Time》=CUR-》next-》begintime）

　　{

　　CUR=CUR-》next;

　　Exec_sence（CUR-》sencenumber）;

　　Result= CUR-》sencenumber;

　　}

　　If（Time》= CUR-》endtime）

　　{

　　Exec_sence（default_sence）

　　Result=0;

　　}

　　If（Time》=shuttime）

　　{

　　Shutdown（）;

　　Result=9999;

　　}

　　}

 

DS2438芯片（内部集成了温度传感器、A/D转换器，电流积分器等电路，具有测量电池温度、电压、电流和剩余电量等多项功能）。为提高系统的可靠性、维护性，照明单元基于DS2438设计了对蓄电池组过充、过放、过压、高温保护检测电路以及对重要部件LED灯的（结温、环温）、电压、电流检测电路。状态检测信息由场景控制器（传感器网关）上传监控主机，