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

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(jiǎn)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(chǎng)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。

LED燈與傳統(tǒng)照明光源相比具有功耗低、壽命長(zhǎng)、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(chǎng)、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(chǎng)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(chǎng)景，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(chǎng)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(cè)、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(chǎng)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(chǎng)景控制器臺(tái)數(shù)，每個(gè)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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。

圖1 景觀照明系統(tǒng)組成

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L(zhǎng)ED燈照明所需的12V直流電，電源模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)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220V交流電到12V直流電轉(zhuǎn)換。

LED燈控制模塊根據(jù)場(chǎng)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?？刂芁ED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(jiǎn)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L(zhǎng)ED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。

圖2 LED燈珠控制電路。