無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )之LED景觀(guān)照明控制系統的方案

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Intenet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Intenet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4.1V,MCU所需的5V以及MCU模塊所需的3.3V,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0.6~0.7V,需在4.1V 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3.0V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Intenet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)。ZigBee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)Intenet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60s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5min,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60s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1s將此定時(shí)器計數的值1.傳感器網(wǎng)關(guān)每10s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1s中斷一次，中斷服務(wù)中時(shí)間計數器自加1.