基于無線傳感器網絡的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無線傳感器網絡架構實現系統(tǒng)內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絡廣場景觀照明系統(tǒng)實現了遠程控制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)控主機通過互聯網和GPRS無線網絡與系統(tǒng)保持信息交互，系統(tǒng)中根據景觀照明規(guī)模與應用環(huán)境決定場景控制器臺數，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無線傳感器網絡(WSN)，照明單元完成WSN傳感器網絡設備(device)功能，而場景控制器則實現無線傳感器網關功能并充當各自傳感器網絡的協(xié)作器(Co-ordinator)，負責各傳感器設備的組網及數據傳遞管理。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據、根據系統(tǒng)要求發(fā)送數據、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、并聯、混聯三種，可根據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，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，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)順序維護控制參數順序鏈表。照明單元的轉換控制流程如下：

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(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
場景控制器內置GPRS模塊通過GPRS網絡接入Internet后與上位機實現通信。同時，在ZigBee無線傳感器網絡中其角色為協(xié)調器，負責無線傳感器的組網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絡內的通信節(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)調器及其負責的網絡。系統(tǒng)中為每個協(xié)調器設置一個惟一的16位網絡PAN ID，其管理的照明單元中內嵌ZigBee終端模塊需設置與本網絡協(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絡覆蓋范圍內相同PAN ID終端的加入網絡的請求，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關，負責與各個設備通信及Internet網的通信。
傳感器網關硬件組成包括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，用于實現網絡控制與通信。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)議與網關實現信息交互。
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，如：紅、綠、藍燈珠閃斷參數各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無線傳感器網絡，該網絡目前使用廣泛，是一種低速率、低功耗、短距離的無線通信技術。Zig Bee支持多種組網方式，系統(tǒng)基于效率、可靠性考慮，使用星型拓撲組網，即每個景觀照明系統(tǒng)根據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絡的網絡。
(1)傳感器網組網流程
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)現網絡中出現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絡，同時更新自己的網絡表。
(2)傳感器網絡信息通信
系統(tǒng)中傳感器網絡場景控制器與照明單元間的數據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據發(fā)送給照明單元，當照明單元接收到數據后發(fā)送確認信息給場景控制器。該數據傳輸方式要求端節(jié)點設備隨時都處于數據接收狀態(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，依照網絡表中各照明單元的順序，定期發(fā)送數據發(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)傳感器網與上位機的通信
場景控制器啟動獲取IP地址并建立網絡表，它定期(默認5 min，可設置)報告本傳感器網內照明單元狀態(tài)信息到上位機。上位機通過網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絡場景(照明單元參數集)。
(4)系統(tǒng)同步
景觀控制中場景效果的實現需各照明單元間協(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。傳感器網絡中采取場景控制器每60 s發(fā)送廣播脈沖幀實現其所管理網絡各節(jié)點間的同步，脈沖幀中包含計時單位為秒的計數器更新數據，照明單元接收到廣播脈沖幀后更新定時本地定時器計數的值，照明單元內部定時器每1 s將此定時器計數的值1。傳感器網關每10 s廣播一次當前時間信息，傳感器網關內設時鐘芯片，傳感器網內部時間計數單位為秒，傳感器網關將時鐘芯片的HH：MM：SS換算為一秒計數，各傳感器設備接收到此時間數據，更新內部的時間計數器，各傳感器設備定時器1 s中斷一次，中斷服務中時間計數器自加1。
(5)主要傳輸數據
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據幀主要包括：
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傳感器網絡的景觀照明系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)利用傳感器網絡實現了對系統(tǒng)內眾多照明單元狀態(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。