一種ZigBee傳感器實(shí)現的景觀(guān)LED系統設計

　　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。

　　圖1 景觀(guān)照明系統組成

　　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12V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220V交流電到12V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1W 或3W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。

　　圖2 LED燈珠控制電路。

　　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：

　　Struct LEDcontrol{

　　Number:uint8;

　　Red:uint8;

　　Green:uint8

　　Blue:uint8;

　　Begintime:uint16;

　　Endtime:uint16;

　　Struct LEDcontrol*next;

　　}

　　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：

　　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（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 )。

　?。?）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