基于無線傳感器網(wǎng)絡的LED景觀照明控制系統(tǒng)設計

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用，介紹了一種基于傳感器網(wǎng)絡、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)絡架構實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)照明單元的光強及色彩控制，使用輪詢機制解決各照明單元狀態(tài)實時采集以及廣播幀同步協(xié)同照明單元完成場景轉換，所有系統(tǒng)信息通過GPRS網(wǎng)絡由上位機控制軟件集中處理。
關鍵詞：LED照明；無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；GPRS

LED燈與傳統(tǒng)照明光源相比具有功耗低、壽命長、響應速度快、無輻射、可高頻開關閃斷，調光方便等優(yōu)點，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、主體公園等領域得到越來越廣泛的應用。本文介紹的基于無線傳感器網(wǎng)絡廣場景觀照明系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程控制LED燈的開關、光強、色彩，可靈活構建多個景觀場景，同時實時檢測LED燈具工作狀態(tài)與電源供給情況，確保系統(tǒng)維護及時有效。

1 系統(tǒng)結構
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ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，照明單元完成WSN傳感器網(wǎng)絡設備(device)功能，而場景控制器則實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)關功能并充當各自傳感器網(wǎng)絡的協(xié)作器(Co-ordinator)，負責各傳感器設備的組網(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)存儲的電能轉換為LED燈照明所需的12 V直流電，電源模塊實時檢測蓄電池的電壓，當蓄電池電壓低于閥值，模塊自動將LED供電轉入市電，并完成220 V交流電到12 V直流電轉換。
LED燈控制模塊根據(jù)場景設置需要完成LED燈的開關、調色、調光。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)中為達到更好的色彩還原性，系統(tǒng)中采用紅(R)、綠(G)、藍(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燈珠電流與調整LED燈珠點亮時間兩種方式實現(xiàn)，相對改變電流調整方法，利用LED高閃斷特點改變LED點亮時間更加簡單且容易實現(xiàn)，是當前主要采用的調整燈珠亮度的方式。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亮時間不同，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)控主機下達控制指令包含的參數(shù)有：場景代碼，紅、綠、藍閃斷占空比，啟動時間與終止時間。其結構為：


照明單元中按照啟動時間(單位：s)順序維護控制參數(shù)順序鏈表。照明單元的轉換控制流程如下：

DS2438芯片(內(nèi)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(tǒng)的可靠性、維護性，照明單元基于DS2438設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)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)絡接入Internet后與上位機實現(xiàn)通信。同時，在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中其角色為協(xié)調器，負責無線傳感器的組網(wǎng)和管理各傳感器設備(照明單元)。系統(tǒng)設計中將每個傳感器網(wǎng)絡內(nèi)的通信節(jié)點最大值設定為128個，即1個協(xié)調器和127個設備。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)調器及其負責的網(wǎng)絡。系統(tǒng)中為每個協(xié)調器設置一個惟一的16位網(wǎng)絡PAN ID，其管理的照明單元中內(nèi)嵌ZigBee終端模塊需設置與本網(wǎng)絡協(xié)調器相同的PAN ID，這樣位于場景控制器的協(xié)調器即可接受處理其網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)相同PAN ID終端的加入網(wǎng)絡的請求，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，負責與各個設備通信及Internet網(wǎng)的通信。
傳感器網(wǎng)關硬件組成包括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，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡控制與通信。電路設計中應注意GPRS模塊啟動時的大電流將造成電壓下降0．6～0．7 V，需在4．1 V輸出端與地之間設計1～2個100μF的鉭電容，避免由于電壓降低到3．0 V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實現(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Internet接收來自場景控制器轉發(fā)的照明單元的狀態(tài)信息，并根據(jù)場景設置要求發(fā)送查詢、設置指令到場景控制器，然后由場景控制轉發(fā)至相應的照明單元。
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，將編輯的結果編碼后存儲在本地硬盤文件。設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，該網(wǎng)絡目前使用廣泛，是一種低速率、低功耗、短距離的無線通信技術。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)絡只能有一個PAN Co-ordinator，系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過Internet管理多個場景控制器，每個場景控制負責一個傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡。
(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)預定義一個PAN ID作為網(wǎng)絡的標識，場景控制器啟動(復位)后60 s播發(fā)廣播幀，開放Sensor device(照明單元)加入網(wǎng)絡的請求應答，照明單元一旦啟動或復位后，定時進行頻道掃描，一旦發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中出現(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，決定接受或拒絕設備加入網(wǎng)絡，同時更新自己的網(wǎng)絡表。
(2)傳感器網(wǎng)絡信息通信
系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡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(無中間設備轉發(fā))，即場景控制直接將數(shù)據(jù)發(fā)送給照明單元，當照明單元接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送確認信息給場景控制器。該數(shù)據(jù)傳輸方式要求端節(jié)點設備隨時都處于數(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，返回應答幀，應答幀中包含其狀態(tài)信息(如電池電壓，電輔，當前設置，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)絡表，它定期(默認5 min，可設置)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)絡設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)絡中采取場景控制器每60 s發(fā)送廣播脈沖幀實現(xiàn)其所管理網(wǎng)絡各節(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1 s將此定時器計數(shù)的值1。傳感器網(wǎng)關每10 s廣播一次當前時間信息，傳感器網(wǎng)關內(nèi)設時鐘芯片，傳感器網(wǎng)內(nèi)部時間計數(shù)單位為秒，傳感器網(wǎng)關將時鐘芯片的HH：MM：SS換算為一秒計數(shù)，各傳感器設備接收到此時間數(shù)據(jù)，更新內(nèi)部的時間計數(shù)器，各傳感器設備定時器1 s中斷一次，中斷服務中時間計數(shù)器自加1。
(5)主要傳輸數(shù)據(jù)
系統(tǒng)中監(jiān)控主機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→場景控制器
場景設置指令幀，狀態(tài)請求幀，校時幀
②場景控制器→監(jiān)控主機
脈動幀(狀態(tài)應答幀)
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
脈動幀(狀態(tài)應答幀)
其中：場景設置指令幀根據(jù)上位機操作要求，在改變景觀照明或定時啟動不同場景時由監(jiān)控主機發(fā)出，場景控制接收到指令幀，回復應答幀(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軟件隨時發(fā)出，場景控制器接收到請求幀，回復應答幀。脈動幀則由場景控制器定時上報本網(wǎng)絡狀態(tài)信息。脈動幀與應答幀格式相同，脈動幀的幀序號為0，而應答幀序號與接收的指令或查詢序號相同。脈動(應答幀)格式如圖3所示。

照明單元定時測量狀態(tài)信息(1 s檢測一次)，照明單元應答幀與其脈動幀格式一致，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 結語
本文介紹了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡的景觀照明系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了對系統(tǒng)內(nèi)眾多照明單元狀態(tài)的實時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)調同步，實時性強。在城市主體公園應用中運行可靠，多場景的設置方便、自動切換準確。同時，該系統(tǒng)也可應用于公園、場館照明等照明單元多的場所。