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一種ZigBee傳感器實現(xiàn)的景觀LED系統(tǒng)設(shè)計

作者: 時間:2012-06-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  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)控主機實現(xiàn)對整個景觀系統(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)置一臺監(jiān)控主機,主機是一臺連入Intenet、安裝了景觀照明系統(tǒng)監(jiān)控軟件的計算機。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數(shù),每個場景控制器控制協(xié)同1~127個照明單元運行。由于景觀照明對實時性要求低于工業(yè)控制系統(tǒng)且所需傳遞信息量少,景觀系統(tǒng)局部通信采用無線網(wǎng)絡(luò)(WSN),照明單元完成WSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(device)功能,而場景控制器則實現(xiàn)無線網(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。

  一種ZigBee傳感器實現(xiàn)的景觀LED系統(tǒng)設(shè)計

  圖1 景觀照明系統(tǒng)組成

  2 功能設(shè)計

  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)存儲的電能轉(zhuǎn)換為LED燈照明所需的12V直流電,電源模塊實時檢測蓄電池的電壓,當(dāng)蓄電池電壓低于閥值,模塊自動將LED供電轉(zhuǎn)入市電,并完成220V交流電到12V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1W 或3W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燈珠點亮?xí)r間兩種方式實現(xiàn),相對改變電流調(diào)整方法,利用LED高閃斷特點改變LED點亮?xí)r間更加簡單且容易實現(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,占空比不同導(dǎo)致紅燈珠點亮?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。

  一種ZigBee傳感器實現(xiàn)的景觀LED系統(tǒng)設(shè)計

  圖2 LED燈珠控制電路。

  每個照明單元發(fā)光顏色是由監(jiān)控主機統(tǒng)一控制,監(jiān)控主機下達(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,啟動時間與終止時間。其結(jié)構(gòu)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時間(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:

  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(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(hù)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(hù)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(hù)、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(fù)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(dá)的指令發(fā)送給各照明單元。監(jiān)控主機負(fù)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(fù)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(hù)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(jìn)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(lán)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(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)。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?fù)浣M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(fù)責(zé)一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)。

 ?。?)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


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