基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LED景觀照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：太陽能LED照明系統(tǒng)作為綠色能源近年來得到廣泛應(yīng)用，介紹了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)、簡單可靠、部署方便的太陽能景觀照明控制系統(tǒng)，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)照明單元的光強(qiáng)及色彩控制，使用輪詢機(jī)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)同照明單元完成場景轉(zhuǎn)換，所有系統(tǒng)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)控制軟件集中處理。
關(guān)鍵詞：LED照明；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；GPRS

LED燈與傳統(tǒng)照明光源相比具有功耗低、壽命長、響應(yīng)速度快、無輻射、可高頻開關(guān)閃斷，調(diào)光方便等優(yōu)點(diǎn)，是景觀照明的重要選擇之一。目前，太陽能LED景觀照明系統(tǒng)在城市廣場、主體公園等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣場景觀照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制LED燈的開關(guān)、光強(qiáng)、色彩，可靈活構(gòu)建多個(gè)景觀場景，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(tǒng)維護(hù)及時(shí)有效。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
景觀照明系統(tǒng)主要由照明單元、場景控制器與監(jiān)控主機(jī)三部分構(gòu)成，如圖1所示。景觀照明系統(tǒng)工作人員通過監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)景觀系統(tǒng)各照明單元工作狀態(tài)的檢測、管理與控制，系統(tǒng)中設(shè)置一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)是一臺(tái)連入Intenet、安裝了景觀照明系統(tǒng)監(jiān)控軟件的計(jì)算機(jī)。場景控制器及其所控制的照明單元是系統(tǒng)的基本組成單元。監(jiān)控主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)保持信息交互，系統(tǒng)中根據(jù)景觀照明規(guī)模與應(yīng)用環(huán)境決定場景控制器臺(tái)數(shù)，每個(gè)場景控制器控制協(xié)同1～127個(gè)照明單元運(yùn)行。由于景觀照明對(duì)實(shí)時(shí)性要求低于工業(yè)控制系統(tǒng)且所需傳遞信息量少，景觀系統(tǒng)局部通信采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，照明單元完成WSN傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(device)功能，而場景控制器則實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)關(guān)功能并充當(dāng)各自傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作器(Co-ordinator)，負(fù)責(zé)各傳感器設(shè)備的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳遞管理。系統(tǒng)中照明單元除完成傳感器設(shè)備功能以外，需完成的工作包括采集本照明單元檢測數(shù)據(jù)、根據(jù)系統(tǒng)要求發(fā)送數(shù)據(jù)、蓄電池充電管理、照明控制等。

2 功能設(shè)計(jì)
2．1 照明單元
照明單元主要組成包括太陽能電池板(組)、電源管理模塊、蓄電池(組)、LED燈控制模塊、無線收發(fā)模塊。太陽能板(組)將光能轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)電源管理模塊為蓄電池(組)充電。景觀照明系統(tǒng)開啟后，電源管理模塊將蓄電池(組)存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)換為LED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(dāng)蓄電池電壓低于閥值，模塊自動(dòng)將LED供電轉(zhuǎn)入市電，并完成220 V交流電到12 V直流電轉(zhuǎn)換。
LED燈控制模塊根據(jù)場景設(shè)置需要完成LED燈的開關(guān)、調(diào)色、調(diào)光。LED燈目前通常采用1 W或3 W的燈珠封裝而成，透過不同的熒光粉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(jù)景觀照明的色彩需求與亮度要求選擇LED燈珠封裝方式景觀照明系統(tǒng)中為達(dá)到更好的色彩還原性，系統(tǒng)中采用紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三種顏色燈珠統(tǒng)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，通過透鏡后形成多種色彩。控制LED燈珠亮度可以通過改變LED燈珠電流與調(diào)整LED燈珠點(diǎn)亮?xí)r間兩種方式實(shí)現(xiàn)，相對(duì)改變電流調(diào)整方法，利用LED高閃斷特點(diǎn)改變LED點(diǎn)亮?xí)r間更加簡單且容易實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)前主要采用的調(diào)整燈珠亮度的方式。圖2為LED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(lán)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(hào)，占空比不同導(dǎo)致紅燈珠點(diǎn)亮?xí)r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(jiān)控主機(jī)統(tǒng)一控制，監(jiān)控主機(jī)下達(dá)控制指令包含的參數(shù)有：場景代碼，紅、綠、藍(lán)閃斷占空比，啟動(dòng)時(shí)間與終止時(shí)間。其結(jié)構(gòu)為：


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

DS2438芯片(內(nèi)部集成了溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)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(xiàng)功能)。為提高系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)性，照明單元基于DS2438設(shè)計(jì)了對(duì)蓄電池組過充、過放、過壓、高溫保護(hù)檢測電路以及對(duì)重要部件LED燈的(結(jié)溫、環(huán)溫)、電壓、電流檢測電路。狀態(tài)檢測信息由場景控制器(傳感器網(wǎng)關(guān))上傳監(jiān)控主機(jī)，為加強(qiáng)系統(tǒng)管理維護(hù)、提升蓄電池使用壽命、保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠提供信息。
2．2 場景控制器
場景控制器內(nèi)置GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet后與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。同時(shí)，在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其角色為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)無線傳感器的組網(wǎng)和管理各傳感器設(shè)備(照明單元)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信節(jié)點(diǎn)最大值設(shè)定為128個(gè)，即1個(gè)協(xié)調(diào)器和127個(gè)設(shè)備。一個(gè)景觀照明系統(tǒng)的照明單元可能超過127個(gè)，也就是在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)存在2個(gè)以上的協(xié)調(diào)器及其負(fù)責(zé)的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中為每個(gè)協(xié)調(diào)器設(shè)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(nèi)嵌ZigBee終端模塊需設(shè)置與本網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相同的PAN ID，這樣位于場景控制器的協(xié)調(diào)器即可接受處理其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)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(jié)點(diǎn)的信息。
系統(tǒng)運(yùn)行中，場景控制器并不處理和保存監(jiān)控主機(jī)以及照明單元發(fā)來的信息，它直接將照明單元發(fā)送的狀態(tài)檢測信息通過局域網(wǎng)交給監(jiān)控主機(jī)處理，同時(shí)將監(jiān)控主機(jī)下達(dá)的指令發(fā)送給各照明單元。監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)多個(gè)場景及照明單元的信息處理判斷。系統(tǒng)中場景控制起到作用為傳感器網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)與各個(gè)設(shè)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(zhuǎn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與通信。電路設(shè)計(jì)中應(yīng)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(shè)計(jì)1～2個(gè)100μF的鉭電容，避免由于電壓降低到3．0 V帶來GPRS模塊保護(hù)帶來的重啟。場景控制器使用NXPLPC1766單片機(jī)(內(nèi)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(tǒng)μC／OSⅡ?qū)崿F(xiàn)了UDP、IP協(xié)議棧，系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)可通過UDP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息交互。
2．3 監(jiān)控主機(jī)
系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)是整個(gè)景觀照明系統(tǒng)的信息中心，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)上位機(jī)軟件經(jīng)由Internet接收來自場景控制器轉(zhuǎn)發(fā)的照明單元的狀態(tài)信息，并根據(jù)場景設(shè)置要求發(fā)送查詢、設(shè)置指令到場景控制器，然后由場景控制轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的照明單元。
監(jiān)控主機(jī)同時(shí)也是系統(tǒng)的控制中心，配置控制整個(gè)系統(tǒng)照明單元啟動(dòng)時(shí)間、光源顏色及光強(qiáng)。系統(tǒng)以場景控制器為單位進(jìn)行設(shè)置，為場景控制器控制的每個(gè)照明單元可配置參數(shù)，如：紅、綠、藍(lán)燈珠閃斷參數(shù)各1字節(jié)(取值0～255)，每個(gè)場景包含16位場景控制器號(hào)，場景代碼(8位)，127×32位照明單元。軟件提供編輯功能，將編輯的結(jié)果編碼后存儲(chǔ)在本地硬盤文件。設(shè)置時(shí)加上起止時(shí)間發(fā)送給指定的場景控制器。
監(jiān)控上位機(jī)軟件同時(shí)提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)分析、報(bào)警、維護(hù)提示等功能。

3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議描述
景觀照明控制系統(tǒng)局域通信采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)目前使用廣泛，是一種低速率、低功耗、短距離的無線通信技術(shù)。Zig Bee支持多種組網(wǎng)方式，系統(tǒng)基于效率、可靠性考慮，使用星型拓?fù)浣M網(wǎng)，即每個(gè)景觀照明系統(tǒng)根據(jù)需要部署一個(gè)到多個(gè)Co-ordinator(場景控制器)，每個(gè)場景控制器直接與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(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過Internet管理多個(gè)場景控制器，每個(gè)場景控制負(fù)責(zé)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(tǒng)中為每個(gè)Co-ordinator(場景控制器)預(yù)定義一個(gè)PAN ID作為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)，場景控制器啟動(dòng)(復(fù)位)后60 s播發(fā)廣播幀，開放Sensor device(照明單元)加入網(wǎng)絡(luò)的請求應(yīng)答，照明單元一旦啟動(dòng)或復(fù)位后，定時(shí)進(jìn)行頻道掃描，一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了可以使用的場景控制器，就發(fā)出請求，場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(shè)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(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡(luò)場景控制器與照明單元間的數(shù)據(jù)傳輸采用直接傳輸方式(無中間設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā))，即場景控制直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給照明單元，當(dāng)照明單元接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送確認(rèn)信息給場景控制器。該數(shù)據(jù)傳輸方式要求端節(jié)點(diǎn)設(shè)備隨時(shí)都處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，也就是要求其隨時(shí)都要處于喚醒的狀態(tài)。場景控制器使用單播方式發(fā)送信息輪詢各傳感器節(jié)點(diǎn)，場景控制器啟動(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(shù)據(jù)發(fā)送請求幀到照明單元進(jìn)行輪詢，照明單元接收到發(fā)送請求幀，返回應(yīng)答幀，應(yīng)答幀中包含其狀態(tài)信息(如電池電壓，電輔，當(dāng)前設(shè)置，燈顏色亮度等)。
(3)傳感器網(wǎng)與上位機(jī)的通信
場景控制器啟動(dòng)獲取IP地址并建立網(wǎng)絡(luò)表，它定期(默認(rèn)5 min，可設(shè)置)報(bào)告本傳感器網(wǎng)內(nèi)照明單元狀態(tài)信息到上位機(jī)。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置場景控制器的輪詢間隔，校對(duì)場景控制器本地時(shí)鐘及該網(wǎng)絡(luò)場景(照明單元參數(shù)集)。
(4)系統(tǒng)同步
景觀控制中場景效果的實(shí)現(xiàn)需各照明單元間協(xié)調(diào)執(zhí)行，這就要求解決各照明單元的同步問題。系統(tǒng)在解決同步問題上采取兩級(jí)同步機(jī)制，上位機(jī)軟件與場景控制器通信協(xié)議間使用校驗(yàn)時(shí)間幀，上位機(jī)定時(shí)發(fā)送時(shí)間校驗(yàn)幀，場景控制器通過該幀取得上位機(jī)時(shí)間，核對(duì)校正本地時(shí)間。傳感器網(wǎng)絡(luò)中采取場景控制器每60 s發(fā)送廣播脈沖幀實(shí)現(xiàn)其所管理網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的同步，脈沖幀中包含計(jì)時(shí)單位為秒的計(jì)數(shù)器更新數(shù)據(jù)，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(jì)數(shù)的值，照明單元內(nèi)部定時(shí)器每1 s將此定時(shí)器計(jì)數(shù)的值1。傳感器網(wǎng)關(guān)每10 s廣播一次當(dāng)前時(shí)間信息，傳感器網(wǎng)關(guān)內(nèi)設(shè)時(shí)鐘芯片，傳感器網(wǎng)內(nèi)部時(shí)間計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)，各傳感器設(shè)備接收到此時(shí)間數(shù)據(jù)，更新內(nèi)部的時(shí)間計(jì)數(shù)器，各傳感器設(shè)備定時(shí)器1 s中斷一次，中斷服務(wù)中時(shí)間計(jì)數(shù)器自加1。
(5)主要傳輸數(shù)據(jù)
系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)與場景控制器以及場景控制器與各照明單元間通信數(shù)據(jù)幀主要包括：
①監(jiān)控主機(jī)→場景控制器
場景設(shè)置指令幀，狀態(tài)請求幀，校時(shí)幀
②場景控制器→監(jiān)控主機(jī)
脈動(dòng)幀(狀態(tài)應(yīng)答幀)
③場景控制器→照明單元
指令幀，狀態(tài)請求幀，同步幀
④照明單元→場景控制器
脈動(dòng)幀(狀態(tài)應(yīng)答幀)
其中：場景設(shè)置指令幀根據(jù)上位機(jī)操作要求，在改變景觀照明或定時(shí)啟動(dòng)不同場景時(shí)由監(jiān)控主機(jī)發(fā)出，場景控制接收到指令幀，回復(fù)應(yīng)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上位機(jī)軟件隨時(shí)發(fā)出，場景控制器接收到請求幀，回復(fù)應(yīng)答幀。脈動(dòng)幀則由場景控制器定時(shí)上報(bào)本網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。脈動(dòng)幀與應(yīng)答幀格式相同，脈動(dòng)幀的幀序號(hào)為0，而應(yīng)答幀序號(hào)與接收的指令或查詢序號(hào)相同。脈動(dòng)(應(yīng)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(yīng)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(jié)語
本文介紹了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的景觀照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)提出的檢測控制通信方式保證了多場景間切換的協(xié)調(diào)同步，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。在城市主體公園應(yīng)用中運(yùn)行可靠，多場景的設(shè)置方便、自動(dòng)切換準(zhǔn)確。同時(shí)，該系統(tǒng)也可應(yīng)用于公園、場館照明等照明單元多的場所。