基于A(yíng)NT的LED照明控制系統的軟硬件設計

　　在環(huán)境污染和能源匱乏日益嚴重的背景下，LED 照明設備因其發(fā)光效率高、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應用。作為未來(lái)照明的主題，LED 照明系統正在向智能化的方向發(fā)展。通過(guò)結合使用傳感、通信和控制等技術(shù)，實(shí)現LED 照明的個(gè)性化、舒適性和二次節能。智能照明控制系統的基本功能包括：LED 設備的亮度控制， LED驅動(dòng)器的電流、電壓和功率因數等物理參數的采集，以及設備工作狀態(tài)的檢測。智能照明控制系統的控制方式可分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種，常見(jiàn)的有線(xiàn)控制方式包括DALI、PLC 和RS485等，無(wú)線(xiàn)控制則主要采用433MHz 和Zigbee 網(wǎng)絡(luò )傳輸信號。

　　ANT 無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)協(xié)議是由Dynastream、Nordic 等公司推出的2.4GHz 短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，相比于藍牙和Zigbee 等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它具有更低的功耗、更低的系統成本和更短的開(kāi)發(fā)應用周期等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有較強競爭力的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

　　1 系統架構

　　如圖1 所示，控制系統由服務(wù)器軟件、集中管理器和終端控制器組成。最上層的服務(wù)器設于遠程控制中心，通過(guò)以太網(wǎng)、GPRS 或3G 等方式與集中管理器交換數據。用戶(hù)可利用安裝在服務(wù)器上的管理軟件查看照明設備的實(shí)時(shí)電參數和工作狀態(tài)，配置照明控制策略。集中管理器用于實(shí)現服務(wù)器與終端控制器的雙向通信中繼，一方面接收服務(wù)器指令并下發(fā)給控制器以進(jìn)行照明控制，另一方面查詢(xún)控制器狀態(tài)和電參數并上傳給服務(wù)器。集中管理器和終端控制器之間采用ANT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。位于最底層的終端控制器與LED 驅動(dòng)器相連，負責監測LED 照明設備的工作狀態(tài)和采集相關(guān)電參數，同時(shí)根據指令調整LED 光源的亮度等級。

　　2 硬件設計

　　集中管理器和終端控制器的電路原理框圖如圖2 所示。集中管理器主要負責通信中繼，其處理器選用了TI 公司的16 位超低功耗單片機MSP430F5418A，它的外設功能豐富，集成UART，SPI，I2C 等接口，便于與外部系統互聯(lián)，滿(mǎn)足系統對通信模塊的擴展需求。終端控制器通過(guò)控制輸入驅動(dòng)器的調光電壓或PWM 的占空比來(lái)改變LED 的亮度，通過(guò)采集LED 驅動(dòng)器的反饋電壓來(lái)判斷LED 驅動(dòng)器是否運行正常，其處理器則選用了Freescale 公司的8 位單片機MC9S08SG8，其主要特點(diǎn)是具有4 路PWM 輸出，以及8路ADC，非常適用于燈控系統。

　　ANT 網(wǎng)絡(luò )芯片采用了Nordic 公司推出的第二代單片ANT 解決方案產(chǎn)品nRF24AP2，它提供了同步/ 異步串行接口，本設計中單片機與nRF24AP2 芯片通過(guò)異步串口通信。ANT 協(xié)議棧被預先封裝在nRF24AP2 中，因此單片機只需按照規定格式向nRF24AP2發(fā)送命令數據幀，即可實(shí)現組網(wǎng)和通信。ANT 串行數據幀均以同步碼開(kāi)始、校驗碼結束，采用低位前導的方式傳輸字節。數據幀依次由以下內容組成：

　?。?）同步碼（1 字節）：處理器發(fā)送給ANT 芯片的數據以0xA5作為同步碼，而ANT 芯片向處理器發(fā)送的數據則以0xA4 開(kāi)始；

　?。?）幀長(cháng)（1 字節）：用戶(hù)數據長(cháng)度，最多不超過(guò)9 個(gè)字節；

　?。?）幀類(lèi)型（1 字節）：數據幀類(lèi)型，有效值為1~255 ;

　?。?）數據（N 字節）：用戶(hù)定義的通信數據；

　?。?）校驗碼（1 字節）：等于之前所有字節的異或值。

　　3 軟件設計

　　ANT 網(wǎng)絡(luò )提供了點(diǎn)對點(diǎn)、星形、樹(shù)形乃至網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò )拓撲，可以滿(mǎn)足不同照明環(huán)境的需求。本設計以路燈應用為目標進(jìn)行鏈狀網(wǎng)絡(luò )配置。在鏈狀網(wǎng)絡(luò )中，集中管理器下發(fā)的命令和終端控制器回復的數據都需要采用多跳轉發(fā)的方式傳輸到目標地址。

　　ANT 基于通道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )管理和通信。通道是ANT 設備進(jìn)行數據交換的通信路徑，每個(gè)通道由1 個(gè)主機和1 至多個(gè)從機組成。

　　通道參數相匹配的ANT 設備之間才能互相通信。管理器作為命令的主動(dòng)發(fā)送方，是鏈狀網(wǎng)絡(luò )的源設備，它被配置為所在通道的主機。終端控制器（除了位于鏈路末端）需要進(jìn)行通信中繼，因此它同時(shí)工作在2 個(gè)通道上，在接收命令的通道上作為從機，而在發(fā)送命令的通道上作為主機。

　　通道參數包括通道類(lèi)型、通道ID、工作頻率、通道周期和網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型。通道配置按以下流程順序執行：

　?。?）配置網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型：采用公共網(wǎng)絡(luò )及公共網(wǎng)絡(luò )密鑰；

　?。?）分配通道：指定主機采用共享雙向發(fā)送通道，從機采用共享雙向接收通道；

　?。?）配置通道ID ：主機的傳輸類(lèi)型、設備類(lèi)型和設備號分別為3、4 和4，工作于某通道的從機的設置與其所在通道的主機相同；

　?。?）配置通道周期、無(wú)線(xiàn)通信頻率和發(fā)射功率：分別設置為2秒、2466MHz 和0dBm ;

　?。?）打開(kāi)通道。

　　集中管理器的功能包括通信中繼和定時(shí)查詢(xún)控制器狀態(tài)。上電后，集中管理器首先進(jìn)行單片機的初始化：配置時(shí)鐘、異步串口的波特率等，并使能串口和定時(shí)器中斷。初始化完成后，集中管理器對nRF24AP2 進(jìn)行操作，完成上電復位、通道配置等操作，隨后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。接收到服務(wù)器命令和控制器應答會(huì )觸發(fā)單片機進(jìn)入不同的串口中斷處理程序。在接收到服務(wù)器命令時(shí)，集中管理器先對命令幀進(jìn)行解析處理，得到目標控制器地址后向其發(fā)送命令。當下發(fā)命令的對象是單個(gè)控制器時(shí)，集中管理器發(fā)送完命令后會(huì )等待控制器的應答。如果在規定時(shí)間內接收到目標控制器回復的數據時(shí)，集中管理器會(huì )保存數據并更新其無(wú)線(xiàn)通信狀態(tài)信息；否則集中管理器會(huì )重發(fā)命令幀，直到接收到控制器的應答或重發(fā)次數達到最大。如果下發(fā)命令的對象是一組控制器，集中管理器則會(huì )在發(fā)送完命令后等待一段時(shí)間，發(fā)送查詢(xún)命令以確認目標控制器是否已按命令執行相應操作。此外，集中管理器還會(huì )定時(shí)查詢(xún)所有照明設備的工作狀態(tài)和電參數。

　　路由終端控制器在完成單片機初始化和對nRF24AP2 的配置后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于它們同時(shí)工作在兩個(gè)通道上，因此會(huì )接收到來(lái)自2 個(gè)通道的數據。通道主機發(fā)送的命令有多種類(lèi)型，可能是調光或查詢(xún)狀態(tài)，命令的目標地址也可能是單個(gè)或多個(gè)。針對不同類(lèi)型的數據，路由終端控制器會(huì )做不同的處理。在接收到單播命令的情況下，控制器首先判斷命令的目標地址，如果是發(fā)送給自己的則回復數據，并根據命令中的調光等級調整PWM 的占空比，最后退出中斷回到低功耗狀態(tài)；如果不是發(fā)送給自己的，則應答后繼續在另一通道上向從機轉發(fā)命令。同樣的，如果接收到從機發(fā)送的數據，路由終端控制器也會(huì )首先查看目標地址，如果是發(fā)送給管理器的則通過(guò)上行通道發(fā)送出去，如果是對自己所下發(fā)的命令的應答則回到退出中斷。另一方面，如果路由終端控制器接收到的命令是多播類(lèi)型，它首先判斷自己是否包括在目標地址集合中，如果不在那么它只應答主機和轉發(fā)數據。否則，路由終端控制器會(huì )等待一段時(shí)間，在接收到末端控制器對集中管理器查詢(xún)命令的回復數據時(shí)，將本地數據封裝進(jìn)去，再發(fā)送給通道主機。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于多個(gè)控制器可以使用同1 個(gè)通信包將數據回復給集中管理器，而不必一一回復，避免無(wú)線(xiàn)通信沖突和擁塞。

　　另外，終端控制器還會(huì )定時(shí)查詢(xún)驅動(dòng)器的工作電壓是否正常，并采集相關(guān)電參數。

　　末端終端控制器的功能比較簡(jiǎn)單，除了定時(shí)查詢(xún)驅動(dòng)器的工作電壓是否正常，并采集相關(guān)電參數外，只要在接收到下發(fā)的命令后應答、并按命令進(jìn)行相應操作即可。

　　4 總結

　　智能照明是LED照明控制系統的未來(lái)發(fā)展方向。本文基于A(yíng)NT 網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)LED 照明控制系統及其軟硬件的設計。該系統無(wú)需布線(xiàn)，安裝方便，運行可靠，能提高燈控系統的智能化水平，有力保障照明設備的正常運行。