4.2.1节描述的LED 智能照明控制系统远程使用GPRS网络的通信方式,该系统可以由ZigBee无线传感网络和GPRS通信模块构成。另外,在ZigBee网的中心设备协调器与GPRS模块之间还需要配置一个中央处理器(MCU)来完成相关的数据处理及控制,MCU 还起到网关的作用,实现网络协议的转换。系统硬件结构简图如图4.12所示。

图4.12　LED 智能照明控制系统硬件结构简图

ZigBee网络中的节点是单灯控制器,ZigBee网络中的协调器通过串口与MCU通信,MCU 的另一串口与GPRS通信模块连接,MCU 通过指令控制GPRS通信模块接收或发送数据,并对两个不同网络协议进行格式转换,进而通过GPRS网络与远程监控中心主控机相连,完成远程数据传输和监控的功能。协调器、MCU 和GPRS无线通信模块可以作为一个整体,即集中控制器。

根据图4.12的系统硬件结构形式,从控制中心到LED 电光源之间的信息传递路径构成的闭环系统,即LED 智能照明控制系统框图如图4.13所示。远程控制中心(如手机)将操作命令通过GPRS网络发送给集中控制器,集中控制器以广播命令或点对点命令的方式将操作命令通过ZigBee网络传递给附近的单灯控制器,单灯控制器根据操作命令的具体内容去操作LED 电光源的驱动电路,以控制灯的开关或亮暗；LED 的工作状态信息又可以通过各种传感器采集到单灯控制器中,然后以数据形式发送给集中控制器,集中控制器再通过GPRS网络将数据发送给远程控制中心,作为对LED 照明现场进行分析、控制的依据。

图4.13　LED 智能照明控制系统框图

集中控制器和单灯控制器之间的通信使用ZigBee网络,除此之外,单灯控制器需要能够对LED 灯的开关、亮度等进行调节控制,集中控制器需要能够处理及上报采集到的单灯控制器的数据,并能对单灯控制器发送控制命令等,所以,这些控制器都需要包含MCU 模块。

现在市场上有很多集成了ZigBee通信模块的微处理器芯片,这里介绍TI公司推出的应用于ZigBee无线通信的片上系统CC2530。该芯片工作在2.4GHz频段,符合IEEE 802.15.4规范,是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一,其内部结构框图如图4.14所示。

CC2530处理器芯片的主要特性如下：

(1)片内集成：增强型高速8051内核处理器,支持代码预取；256kB Flash程序存储器,支持ZigBee2007/pro协议；8kB数据存储器,支持硬件调试。

(2)工作电压3.3V,支持2～3.6V 供电区间,具有三种电源管理模式：唤醒模式0.2mA、睡眠模式1μA、中断模式0.4μA。包括处理器和智能片内外设在内的模块,具有超低功耗的特点。

(3)片内集成5通道DMA,MAC 定时器；1个16位、两个8位普通定时器,32kHz睡眠定时器,电源管理与片内温度传感器,8通道12位A/D 转换器,看门狗等智能外设。

(4)片内集成了2.4GHz的射频收发器,其RF发送输出功率为4.5d B,接收灵敏度为-97dB。

应用范围包括2.4GHz IEEE 802.15.4系统、RF4CE 远程控制系统、ZigBee网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗WSN 等领域。

图4.14　CC2530内部结构框图

CC2530在一般的应用系统中,其典型外围电路如图4.15所示。

在这个典型外围电路中,主时钟晶振采用外接石英谐振器Y2 组成32MHz晶振电路；石英谐振器Y1组成32.768kHz时钟晶振电路,32.768kHz晶体振荡器电流功耗相对较低,并能准确记录睡眠唤醒时间。

下面介绍系统各部分模块硬件结构设计思路时,其中的微处理器(MCU)均使用CC2530。

图4.15　CC2530典型外围电路

1.集中控制器

集中控制器作为在LED 照明网络控制系统中的网关节点,它由协调器、网关和GPRS通信模块共同组成,是一个ZigBee网络节点的汇聚点,担负着协议转换、建立和管理ZigBee网络的作用。向下,通过ZigBee网络与单灯控制器(路由节点或终端节点)进行通信,交换数据和传递控制命令；向上,通过GPRS与远程手机或主控计算机进行通信,将数据传送到远程控制中心,便于分析和管理,并接收远程控制命令。

集中控制器需要实现的功能主要有两个：

①控制无线RF模块,通过ZigBee通信完成与各节点之间的数据收发。

②实现相应的控制以及与上位机的通信。

控制器的基本结构主要由MCU、协调器处理器模块、功率放大器及天线、电源电路、键盘及LCD 显示器等组成。这里介绍使用TI公司的CC2530,片上集成了MCU 和协调处理器模块,使得设计得以简化。

(1)ZigBee协调器模块。

如前面所述,协调器模块的处理器芯片采用CC2530。在LED 照明控制系统中,协调器作为ZigBee 网络的核心,为了增加通信距离,实际应用中可以在处理器CC2530芯片上添加一个RF前端功率放大模块。如TI公司生产的CC2591是一款性价比很高的射频前端设备,主要在面向功耗比较低的无线传输中使用。CC2591工作在2.4GHz,它提供一个增益为+22dB 的功率放大器来提升输出功率。为了改善接收灵敏度,采用了低噪声放大器,并含有平衡转换器、交换机、电感器和RF匹配网络等,接收机部分内部集成的LNA 接收增益最大为11dB,噪声系数为4.8dB,接收机灵敏度可提高6d B。模块中增加了CC2591以后,可以增加无线系统的覆盖范围,不但能够节省路由器的费用,而且能够在传输数据时减少延时。

协调器模块的实际结构框图可以采用如图4.16所示的模式。

图4.16　协调器模块的实际结构框图(www.daowen.com)

LCD 显示模块可以实时显示ZigBee无线网络的组网信息；LED 指示灯显示网络连接状态；CC2530与GPRS模块的连接通过通用串行异步收发器(UART)接口,进而通过GPRS网络与远程控制中心建立通信。

CC2530可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈(RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI)来简化开发。

(2)ZigBee天线。

天线可采用SMA 天线与倒F天线相结合的方式。其中SMA 是Sub-Miniature-A的简称,全称应为SMA 反极性公头,就是天线接头是内部有螺纹的,里面触点是针(无线设备一端是外部有螺纹,里面触点是管),这种接口的无线设备是最普及的；倒F天线的设计可采用TI公司公布的方案参考设计,该天线的最大增益为+3.3dB,完全能够满足CC2530工作频段的要求。

(3)基于ZigBee与GPRS的通信网关。

GPRS是目前广泛应用的通信技术,通过GPRS通信网络实现联网和信息交换,使得利用网络传输数据无须再组建专用的通信网络。GPRS技术主要是基于TCP 和UDP协议,它使得无线传感网络实现远程通信成为可能,也成为解决ZigBee无法进行远程通信问题的重要手段。基于ZigBee和GPRS的无线网关设计主要是搭建一条远程通信通道,将ZigBee收集的数据转换成GPRS的数据包传输到远程控制中心,实现数据的远程通信,完成ZigBee网络与GPRS网络的对接,从而实现对现场的监测和远程控制。

如图4.12所示,GPRS 通信模块组合在集中控制器上,集中控制器又包含了ZigBee协调器。每个无线传感网络只允许一个协调器,协调器用于收集整个ZigBee网络的数据,GPRS模块搭载在集中控制器上,与MCU 一起可构成ZigBee网络的网关,将数据通过GPRS网络传输到远程控制中心；反过来,远程控制中心通过GPRS网络发送的控制命令也可以经网关传送至ZigBee网络,实现对节点的控制。

网关中通过GPRS 网络与远程控制中心通信的GPRS 模块有SIM300、GTM900C等。如华为公司生产的GTM900C,它是一款高度集成的三波段GSM/GPRS无线模块,为了开发便利,GTM900C 内嵌AT 命令,提供丰富的语音和数据业务功能,是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。GTM900C 通过UART 接口与外部MCU 进行串行通信,从而完成GPRS的无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能。它的工作频段为EGSM900/GSM1800双频和GT800单频,并且内嵌TCP/IP协议模块。

GTM900C通过UART_ RXD0和UART_ TXD0引脚与CC2530芯片的UART口相连,单片机初始化GTM900C 模块并创建链路,发送信号和接收信号。具体GTM900C各引脚功能可查阅相关资料。

因为GPRS模块与MCU 之间的串行通信是基于AT 命令,通过单片机串行口给GPRS模块发送不同的AT 命令,该模块接收到AT 命令后执行相应的任务,进而实现GPRS通信。而AT 命令是一串由以AT 开头、CR 结尾的ASCII字符组成的,负责外部数据终端向GPRS模块提供外部请求,让该模块执行数据业务等控制。每当AT 命令被执行后通过串行口向MCU 返回相应的数据作为响应。

GPRS通信模块GTM900C已经内嵌了TCP/IP协议,它通过AT 命令执行与互联网之间合理流程的TCP/IP连接,就能实现与互联网的数据交互功能。

如果ZigBee网络与远程控制中心通过以太网进行通信,则集中控制器中的通信模块芯片可选用Wiznet公司生产的W5100。该芯片功耗低,使用3.3V 工作电压。W5100支持硬件化的TCP/IP 协议,如TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4 ARP、PPPoE；内嵌10Base/100BaseTX 以太网物理层,支持极性自动变换；支持半双工和全双工模式通信；支持4 个独立Sockets同时连接；数据传输速率可达25Mbps,远程控制中心设备则使用电脑来进行配置,这里不再做详细介绍。

(4)电源管理模块。

集中控制器是整个ZigBee网络的核心,它不仅要接收来自节点的数据,还要将数据传送到远程控制中心服务器,便于分析和管理。一个ZigBee网络中集中控制器数量只有一个,位置固定且功耗较大,所以可采用电源供电和电池供电两种方式。正常情况下,稳定的3.3V 输出电压是通过线性稳压器AMS1117-3.3来提供的。当遇停电,则由电池供电。TPS60210芯片的功能是,当电池输入1.8～3.6V 电压时,稳压电荷泵产生(3.3±4%)V 的输出电压,四个外部电容即可建立一个低通滤波DC-DC转换器。电源参考电路如图4.17所示。

图4.17　协调器电源电路

2.单灯控制器

单灯控制器从功能上可以分为普通单灯控制器和智能单灯控制器两种,它们的硬件结构基本相同。

(1)普通单灯控制器主要具有如下功能：

①能实时监测LED 灯具的运行状态,采集当前LED 灯的电压、电流、频率、功率、温度、照度等参数,具有过压、过流、过热保护和防雷功能；并具有数据寄存、状态显示及工作异常情况报警功能；具有单独控制局部范围内路灯工作的能力,可设置控制参数。

②每一盏路灯都应有自己的一个网络地址,通过ZigBee网络接收集中控制器(协调器)的命令,对LED 照明灯进行远程控制；也能将现场采集的数据传送给协调器。需要时也可以通过键盘手动操作控制。

③具有软启动功能,可以降低路灯启动浪涌对LED 电光源的冲击,提高LED灯的使用寿命；具有断电数据保持功能；具有电能测量、计量及分时段电能计量功能。

④通过ZigBee无线网络,单灯控制器与集中控制器之间的无线通信距离不小于100m。

⑤有无功功率补偿功能,以提高灯具的功率因数,增加电能的使用效率；可以使用降功率节能技术,在保证实现节能照明的同时,不损害光源的使用寿命,对电网无污染,绿色环保。

(2)主要硬件结构。

作为终端设备,单灯控制器由微处理器、ZigBee通信单元及天线、功率放大器、传感器、A/D 转换模块和LED 光源控制驱动电路组成,它与LED 发光灯具组合在一起。单灯控制器可以实现信号的采集、检测和传递的任务。在单灯控制器中的微处理器,同样可以选用CC2530来担此重任。该处理器内置完善的ZigBee无线组网通信协议,它既可以接收由协调器通过ZigBee网络发出的控制信号,根据命令进行开关灯操作或产生所需要的PWM 信号来调节LED 灯的亮度；又能通过传感器采集当前电压、电流、频率、温度、光照度等信息,通过ZigBee网络反馈给协调器。

单灯控制器的硬件结构框图如图4.18所示。

图4.18　单灯控制器的硬件结构框图

由于CC2530包含了我们所需要的ZigBee无线通信单元、A/D 转换模块等大部分功能,所以在硬件方面只需要在CC2530构成的系统中加入LED 驱动控制电路、各类传感器、继电器、电量计量器即可。另外,因为工作在野外,为了使用安全,还应考虑防雷技术。

(3)智能单灯控制器。

智能单灯控制器与普通单灯控制器在硬件上基本相同,它除了具有普通单灯控制器的功能以外,还拥有无线路由的功能,只需在通信软件上增加此功能的相关内容即可。因此,它既可以像普通单灯控制器那样接收由协调器或邻近智能单灯控制器发出的ZigBee信号,直接控制终端LED 灯,还能通过路由选择,与相近的其他智能单灯控制器或普通单灯控制器进行通信,构成网状拓扑结构,以增加ZigBee无线网络的覆盖范围和可靠性。