基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的LED景觀(guān)照明控制系統設計

摘要：太陽(yáng)能LED照明系統作為綠色能源近年來(lái)得到廣泛應用，介紹了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò )、簡(jiǎn)單可靠、部署方便的太陽(yáng)能景觀(guān)照明控制系統，基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )架構實(shí)現系統內照明單元的光強及色彩控制，使用輪詢(xún)機制解決各照明單元狀態(tài)實(shí)時(shí)采集以及廣播幀同步協(xié)同照明單元完成場(chǎng)景轉換，所有系統信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )由上位機控制軟件集中處理。
關(guān)鍵詞：LED照明；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；ZigBee；GPRS

LED燈與傳統照明光源相比具有功耗低、壽命長(cháng)、響應速度快、無(wú)輻射、可高頻開(kāi)關(guān)閃斷，調光方便等優(yōu)點(diǎn)，是景觀(guān)照明的重要選擇之一。目前，太陽(yáng)能LED景觀(guān)照明系統在城市廣場(chǎng)、主體公園等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。本文介紹的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )廣場(chǎng)景觀(guān)照明系統實(shí)現了遠程控制LED燈的開(kāi)關(guān)、光強、色彩，可靈活構建多個(gè)景觀(guān)場(chǎng)景，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測LED燈具工作狀態(tài)與電源供給情況，確保系統維護及時(shí)有效。

1 系統結構
景觀(guān)照明系統主要由照明單元、場(chǎng)景控制器與監控主機三部分構成，如圖1所示。景觀(guān)照明系統工作人員通過(guò)監控主機實(shí)現對整個(gè)景觀(guān)系統各照明單元工作狀態(tài)的檢測、管理與控制，系統中設置一臺監控主機，主機是一臺連入Intenet、安裝了景觀(guān)照明系統監控軟件的計算機。場(chǎng)景控制器及其所控制的照明單元是系統的基本組成單元。監控主機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與系統保持信息交互，系統中根據景觀(guān)照明規模與應用環(huán)境決定場(chǎng)景控制器臺數，每個(gè)場(chǎng)景控制器控制協(xié)同1～127個(gè)照明單元運行。由于景觀(guān)照明對實(shí)時(shí)性要求低于工業(yè)控制系統且所需傳遞信息量少，景觀(guān)系統局部通信采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)，照明單元完成WSN傳感器網(wǎng)絡(luò )設備(device)功能，而場(chǎng)景控制器則實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)關(guān)功能并充當各自傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)作器(Co-ordinator)，負責各傳感器設備的組網(wǎng)及數據傳遞管理。系統中照明單元除完成傳感器設備功能以外，需完成的工作包括采集本照明單元檢測數據、根據系統要求發(fā)送數據、蓄電池充電管理、照明控制等。

2 功能設計
2．1 照明單元
照明單元主要組成包括太陽(yáng)能電池板(組)、電源管理模塊、蓄電池(組)、LED燈控制模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。太陽(yáng)能板(組)將光能轉換為電流，經(jīng)電源管理模塊為蓄電池(組)充電。景觀(guān)照明系統開(kāi)啟后，電源管理模塊將蓄電池(組)存儲的電能轉換為L(cháng)ED燈照明所需的12 V直流電，電源模塊實(shí)時(shí)檢測蓄電池的電壓，當蓄電池電壓低于閥值，模塊自動(dòng)將LED供電轉入市電，并完成220 V交流電到12 V直流電轉換。
LED燈控制模塊根據場(chǎng)景設置需要完成LED燈的開(kāi)關(guān)、調色、調光。LED燈目前通常采用1 W或3 W的燈珠封裝而成，透過(guò)不同的熒光粉LED燈珠可發(fā)出不同顏色的光。LED燈珠的封裝方式有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種，可根據景觀(guān)照明的色彩需求與亮度要求選擇LED燈珠封裝方式景觀(guān)照明系統中為達到更好的色彩還原性，系統中采用紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色燈珠統一封裝混聯(lián)模式。LED燈控模塊控制RGB三種顏色燈珠的亮度，通過(guò)透鏡后形成多種色彩?？刂芁ED燈珠亮度可以通過(guò)改變LED燈珠電流與調整LED燈珠點(diǎn)亮時(shí)間兩種方式實(shí)現，相對改變電流調整方法，利用LED高閃斷特點(diǎn)改變LED點(diǎn)亮時(shí)間更加簡(jiǎn)單且容易實(shí)現，是當前主要采用的調整燈珠亮度的方式。圖2為L(cháng)ED燈中一路燈珠(紅色)的控制原理示意圖，集成電路U1是恒流源芯片(XLT604)，同時(shí)為紅、綠、藍三色燈珠提供電源，PWM引腳控制產(chǎn)生恒流源電流大小。MCU的P1．5發(fā)出PWM信號，占空比不同導致紅燈珠點(diǎn)亮時(shí)間不同，從而使得紅燈珠發(fā)光亮度不同，MCU P1．2引腳的高低電平則用于判斷紅燈珠是否損壞。

每個(gè)照明單元發(fā)光顏色是由監控主機統一控制，監控主機下達控制指令包含的參數有：場(chǎng)景代碼，紅、綠、藍閃斷占空比，啟動(dòng)時(shí)間與終止時(shí)間。其結構為：


照明單元中按照啟動(dòng)時(shí)間(單位：s)順序維護控制參數順序鏈表。照明單元的轉換控制流程如下：

DS2438芯片(內部集成了溫度傳感器、A／D轉換器，電流積分器等電路，具有測量電池溫度、電壓、電流和剩余電量等多項功能)。為提高系統的可靠性、維護性，照明單元基于DS2438設計了對蓄電池組過(guò)充、過(guò)放、過(guò)壓、高溫保護檢測電路以及對重要部件LED燈的(結溫、環(huán)溫)、電壓、電流檢測電路。狀態(tài)檢測信息由場(chǎng)景控制器(傳感器網(wǎng)關(guān))上傳監控主機，為加強系統管理維護、提升蓄電池使用壽命、保證系統運行可靠提供信息。
2．2 場(chǎng)景控制器
場(chǎng)景控制器內置GPRS模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )接入Internet后與上位機實(shí)現通信。同時(shí)，在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中其角色為協(xié)調器，負責無(wú)線(xiàn)傳感器的組網(wǎng)和管理各傳感器設備(照明單元)。系統設計中將每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )內的通信節點(diǎn)最大值設定為128個(gè)，即1個(gè)協(xié)調器和127個(gè)設備。一個(gè)景觀(guān)照明系統的照明單元可能超過(guò)127個(gè)，也就是在一個(gè)系統中同時(shí)存在2個(gè)以上的協(xié)調器及其負責的網(wǎng)絡(luò )。系統中為每個(gè)協(xié)調器設置一個(gè)惟一的16位網(wǎng)絡(luò )PAN ID，其管理的照明單元中內嵌ZigBee終端模塊需設置與本網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器相同的PAN ID，這樣位于場(chǎng)景控制器的協(xié)調器即可接受處理其網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內相同PAN ID終端的加入網(wǎng)絡(luò )的請求，然后加入新照明單元節點(diǎn)的信息。
系統運行中，場(chǎng)景控制器并不處理和保存監控主機以及照明單元發(fā)來(lái)的信息，它直接將照明單元發(fā)送的狀態(tài)檢測信息通過(guò)局域網(wǎng)交給監控主機處理，同時(shí)將監控主機下達的指令發(fā)送給各照明單元。監控主機負責整個(gè)系統多個(gè)場(chǎng)景及照明單元的信息處理判斷。系統中場(chǎng)景控制起到作用為傳感器網(wǎng)關(guān)，負責與各個(gè)設備通信及Internet網(wǎng)的通信。
傳感器網(wǎng)關(guān)硬件組成包括MCU單元，GPRS模塊單元，ZigBee模塊單元，電源管理單元，時(shí)鐘單元。其中電源管理單元輸入電壓將蓄電池組電壓轉換為GPRS模塊所需的4．1 V，MCU所需的5 V以及MCU模塊所需的3．3 V，MCU模塊的UART0與UART1分別與GPRS和ZigBee模塊連接，用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制與通信。電路設計中應注意GPRS模塊啟動(dòng)時(shí)的大電流將造成電壓下降0．6～0．7 V，需在4．1 V輸出端與地之間設計1～2個(gè)100μF的鉭電容，避免由于電壓降低到3．0 V帶來(lái)GPRS模塊保護帶來(lái)的重啟。場(chǎng)景控制器使用NXPLPC1766單片機(內含256 KBFLASH，64 KB RAM)，其兩個(gè)UART口分別與GPRS模塊與ZigBee收發(fā)模塊接口連接。軟件上基于嵌入式操作系統μC／OSⅡ實(shí)現了UDP、IP協(xié)議棧，系統中監控主機可通過(guò)UDP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)實(shí)現信息交互。
2．3 監控主機
系統中監控主機是整個(gè)景觀(guān)照明系統的信息中心，系統運行時(shí)上位機軟件經(jīng)由Internet接收來(lái)自場(chǎng)景控制器轉發(fā)的照明單元的狀態(tài)信息，并根據場(chǎng)景設置要求發(fā)送查詢(xún)、設置指令到場(chǎng)景控制器，然后由場(chǎng)景控制轉發(fā)至相應的照明單元。
監控主機同時(shí)也是系統的控制中心，配置控制整個(gè)系統照明單元啟動(dòng)時(shí)間、光源顏色及光強。系統以場(chǎng)景控制器為單位進(jìn)行設置，為場(chǎng)景控制器控制的每個(gè)照明單元可配置參數，如：紅、綠、藍燈珠閃斷參數各1字節(取值0～255)，每個(gè)場(chǎng)景包含16位場(chǎng)景控制器號，場(chǎng)景代碼(8位)，127×32位照明單元。軟件提供編輯功能，將編輯的結果編碼后存儲在本地硬盤(pán)文件。設置時(shí)加上起止時(shí)間發(fā)送給指定的場(chǎng)景控制器。
監控上位機軟件同時(shí)提供系統運行狀態(tài)動(dòng)態(tài)分析、報警、維護提示等功能。

3 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議描述
景觀(guān)照明控制系統局域通信采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )目前使用廣泛，是一種低速率、低功耗、短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。Zig Bee支持多種組網(wǎng)方式，系統基于效率、可靠性考慮，使用星型拓撲組網(wǎng)，即每個(gè)景觀(guān)照明系統根據需要部署一個(gè)到多個(gè)Co-ordinator(場(chǎng)景控制器)，每個(gè)場(chǎng)景控制器直接與Sensor device(照明單元)通信。由于每一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )只能有一個(gè)PAN Co-ordinator，系統中監控主機通過(guò)Internet管理多個(gè)場(chǎng)景控制器，每個(gè)場(chǎng)景控制負責一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )。
(1)傳感器網(wǎng)組網(wǎng)流程
系統中為每個(gè)Co-ordinator(場(chǎng)景控制器)預定義一個(gè)PAN ID作為網(wǎng)絡(luò )的標識，場(chǎng)景控制器啟動(dòng)(復位)后60 s播發(fā)廣播幀，開(kāi)放Sensor device(照明單元)加入網(wǎng)絡(luò )的請求應答，照明單元一旦啟動(dòng)或復位后，定時(shí)進(jìn)行頻道掃描，一旦發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中出現了可以使用的場(chǎng)景控制器，就發(fā)出請求，場(chǎng)景控制器檢測到請求后，判斷是該照明單元信息，決定接受或拒絕設備加入網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)更新自己的網(wǎng)絡(luò )表。
(2)傳感器網(wǎng)絡(luò )信息通信
系統中傳感器網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景控制器與照明單元間的數據傳輸采用直接傳輸方式(無(wú)中間設備轉發(fā))，即場(chǎng)景控制直接將數據發(fā)送給照明單元，當照明單元接收到數據后發(fā)送確認信息給場(chǎng)景控制器。該數據傳輸方式要求端節點(diǎn)設備隨時(shí)都處于數據接收狀態(tài)，也就是要求其隨時(shí)都要處于喚醒的狀態(tài)。場(chǎng)景控制器使用單播方式發(fā)送信息輪詢(xún)各傳感器節點(diǎn)，場(chǎng)景控制器啟動(dòng)后按時(shí)間片輪，依照網(wǎng)絡(luò )表中各照明單元的順序，定期發(fā)送數據發(fā)送請求幀到照明單元進(jìn)行輪詢(xún)，照明單元接收到發(fā)送請求幀，返回應答幀，應答幀中包含其狀態(tài)信息(如電池電壓，電輔，當前設置，燈顏色亮度等)。
(3)傳感器網(wǎng)與上位機的通信
場(chǎng)景控制器啟動(dòng)獲取IP地址并建立網(wǎng)絡(luò )表，它定期(默認5 min，可設置)報告本傳感器網(wǎng)內照明單元狀態(tài)信息到上位機。上位機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設置場(chǎng)景控制器的輪詢(xún)間隔，校對場(chǎng)景控制器本地時(shí)鐘及該網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景(照明單元參數集)。
(4)系統同步
景觀(guān)控制中場(chǎng)景效果的實(shí)現需各照明單元間協(xié)調執行，這就要求解決各照明單元的同步問(wèn)題。系統在解決同步問(wèn)題上采取兩級同步機制，上位機軟件與場(chǎng)景控制器通信協(xié)議間使用校驗時(shí)間幀，上位機定時(shí)發(fā)送時(shí)間校驗幀，場(chǎng)景控制器通過(guò)該幀取得上位機時(shí)間，核對校正本地時(shí)間。傳感器網(wǎng)絡(luò )中采取場(chǎng)景控制器每60 s發(fā)送廣播脈沖幀實(shí)現其所管理網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)間的同步，脈沖幀中包含計時(shí)單位為秒的計數器更新數據，照明單元接收到廣播脈沖幀后更新定時(shí)本地定時(shí)器計數的值，照明單元內部定時(shí)器每1 s將此定時(shí)器計數的值1。傳感器網(wǎng)關(guān)每10 s廣播一次當前時(shí)間信息，傳感器網(wǎng)關(guān)內設時(shí)鐘芯片，傳感器網(wǎng)內部時(shí)間計數單位為秒，傳感器網(wǎng)關(guān)將時(shí)鐘芯片的HH：MM：SS換算為一秒計數，各傳感器設備接收到此時(shí)間數據，更新內部的時(shí)間計數器，各傳感器設備定時(shí)器1 s中斷一次，中斷服務(wù)中時(shí)間計數器自加1。
(5)主要傳輸數據
系統中監控主機與場(chǎng)景控制器以及場(chǎng)景控制器與各照明單元間通信數據幀主要包括：
①監控主機→場(chǎng)景控制器
場(chǎng)景設置指令幀，狀態(tài)請求幀，校時(shí)幀
②場(chǎng)景控制器→監控主機
脈動(dòng)幀(狀態(tài)應答幀)
③場(chǎng)景控制器→照明單元
指令幀，狀態(tài)請求幀，同步幀
④照明單元→場(chǎng)景控制器
脈動(dòng)幀(狀態(tài)應答幀)
其中：場(chǎng)景設置指令幀根據上位機操作要求，在改變景觀(guān)照明或定時(shí)啟動(dòng)不同場(chǎng)景時(shí)由監控主機發(fā)出，場(chǎng)景控制接收到指令幀，回復應答幀(含本網(wǎng)照明單元狀態(tài)信息)。狀態(tài)請求幀由操作人員通過(guò)上位機軟件隨時(shí)發(fā)出，場(chǎng)景控制器接收到請求幀，回復應答幀。脈動(dòng)幀則由場(chǎng)景控制器定時(shí)上報本網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息。脈動(dòng)幀與應答幀格式相同，脈動(dòng)幀的幀序號為0，而應答幀序號與接收的指令或查詢(xún)序號相同。脈動(dòng)(應答幀)格式如圖3所示。

照明單元定時(shí)測量狀態(tài)信息(1 s檢測一次)，照明單元應答幀與其脈動(dòng)幀格式一致，信息包括溫度(1 B)、濕度(1 B)、電池電壓(1 B)、電源供給狀態(tài)(電池、市電、電池+市電)與燈珠工況(1 B)。

4 結語(yǔ)
本文介紹了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )的景觀(guān)照明系統的設計，該系統利用傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了對系統內眾多照明單元狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測及集中控制管理，系統提出的檢測控制通信方式保證了多場(chǎng)景間切換的協(xié)調同步，實(shí)時(shí)性強。在城市主體公園應用中運行可靠，多場(chǎng)景的設置方便、自動(dòng)切換準確。同時(shí)，該系統也可應用于公園、場(chǎng)館照明等照明單元多的場(chǎng)所。