無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之LED景觀照明控制系統(tǒng)的方案

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功能)。為提高系統(tǒng)的可靠性、維護性，照明單元基于DS2438設(shè)計了對蓄電池組過充、過放、過壓、高溫保護檢測電路以及對重要部件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，為加強系統(tǒng)管理維護、提升蓄電池使用壽命、保證系統(tǒng)運行可靠提供信息。

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Intenet后與上位機實現(xiàn)通信。同時，在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其角色為協(xié)調(diào)器，負責(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)計中將每個傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信節(jié)點最大值設(shè)定為128個，即1個協(xié)調(diào)器和127個設(shè)備。一個景觀照明系統(tǒng)的照明單元可能超過127個，也就是在一個系統(tǒng)中同時存在2個以上的協(xié)調(diào)器及其負責(zé)的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中為每個協(xié)調(diào)器設(shè)置一個惟一的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)點的信息。

系統(tǒng)運行中，場景控制器并不處理和保存監(jiān)控主機以及照明單元發(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)控主機處理，同時將監(jiān)控主機下達的指令發(fā)送給各照明單元。監(jiān)控主機負責(zé)整個系統(tǒng)多個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)，負責(zé)與各個設(shè)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4.1V,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，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制與通信。電路設(shè)計中應(yīng)注意GPRS模塊啟動時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(shè)計1~2個100μF的鉭電容，避免由于電壓降低到3.0V帶來GPRS模塊保護帶來的重啟。場景控制器使用NXPLPC1766 單片機(內(nèi)含256 KBFLASH,64 KB RAM)，其兩個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)控主機可通過UDP協(xié)議與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)信息交互。

2.3 監(jiān)控主機

系統(tǒng)中監(jiān)控主機是整個景觀照明系統(tǒng)的信息中心，系統(tǒng)運行時上位機軟件經(jīng)由Intenet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)控主機同時也是系統(tǒng)的控制中心，配置控制整個系統(tǒng)照明單元啟動時間、光源顏色及光強。系統(tǒng)以場景控制器為單位進行設(shè)置，為場景控制器控制的每個照明單元可配置參數(shù)，如：紅、綠、藍燈珠閃斷參數(shù)各1字節(jié)(取值0~255)，每個場景包含16位場景控制器號，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)果編碼后存儲在本地硬盤文件。設(shè)置時加上起止時間發(fā)送給指定的場景控制器。

監(jiān)控上位機軟件同時提供系統(tǒng)運行狀態(tài)動態(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)。ZigBee支持多種組網(wǎng)方式，系統(tǒng)基于效率、可靠性考慮，使用星型拓撲組網(wǎng)，即每個景觀照明系統(tǒng)根據(jù)需要部署一個到多個Co-ordinator(場景控制器)，每個場景控制器直接與Sensor device(照明單元)通信。由于每一個傳感器網(wǎng)絡(luò)只能有一個PAN Co-ordinator,系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過Intenet管理多個場景控制器，每個場景控制負責(zé)一個傳感器網(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Co-ordinator(場景控制器)預(yù)定義一個PAN ID作為網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識，場景控制器啟動(復(fù)位)后60s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，照明單元一旦啟動或復(fù)位后，定時進行頻道掃描，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)點設(shè)備隨時都處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，也就是要求其隨時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，場景控制器啟動后按時間片輪，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)與上位機的通信

場景控制器啟動獲取IP地址并建立網(wǎng)絡(luò)表，它定期(默認(rèn)5min,可設(shè)置)報告本傳感器網(wǎng)內(nèi)照明單元狀態(tài)信息到上位機。上位機通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置場景控制器的輪詢間隔，校對場景控制器本地時鐘及該網(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同步機制，上位機軟件與場景控制器通信協(xié)議間使用校驗時間幀，上位機定時發(fā)送時間校驗幀，場景控制器通過該幀取得上位機時間，核對校正本地時間。傳感器網(wǎng)絡(luò)中采取場景控制器每60s發(fā)送廣播脈沖幀實現(xiàn)其所管理網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的同步，脈沖幀中包含計時單位為秒的計數(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本地定時器計數(shù)的值，照明單元內(nèi)部定時器每1s將此定時器計數(shù)的值1.傳感器網(wǎng)關(guān)每10s廣播一次當(dāng)前時間信息，傳感器網(wǎng)關(guān)內(nèi)設(shè)時鐘芯片，傳感器網(wǎng)內(nèi)部時間計數(shù)單位為秒，傳感器網(wǎng)關(guān)將時鐘芯片的HH:MM:SS換算為一秒計數(shù)，各傳感器設(shè)備接收到此時間數(shù)據(jù)，更新內(nèi)部的時間計數(shù)器，各傳感器設(shè)備定時器1s中斷一次，中斷服務(wù)中時間計數(shù)器自加1.