基于无线传感器网络的LED景观照明控制系统设计

摘要：太阳能LED照明系统作为绿色能源近年来得到广泛应用，介绍了一种基于传感器网络、简单可靠、部署方便的太阳能景观照明控制系统，基于ZigBee无线传感器网络架构实现系统内照明单元的光强及色彩控制，使用轮询机制解决各照明单元状态实时采集以及广播帧同步协同照明单元完成场景转换，所有系统信息通过GPRS网络由上位机控制软件集中处理。
关键词：LED照明；无线传感器网络；ZigBee；GPRS

    LED灯与传统照明光源相比具有功耗低、寿命长、响应速度快、无辐射、可高频开关闪断，调光方便等优点，是景观照明的重要选择之一。目前，太阳能LED景观照明系统在城市广场、主体公园等领域得到越来越广泛的应用。本文介绍的基于无线传感器网络广场景观照明系统实现了远程控制LED灯的开关、光强、色彩，可灵活构建多个景观场景，同时实时检测LED灯具工作状态与电源供给情况，确保系统维护及时有效。

1 系统结构
    景观照明系统主要由照明单元、场景控制器与监控主机三部分构成，如图1所示。景观照明系统工作人员通过监控主机实现对整个景观系统各照明单元工作状态的检测、管理与控制，系统中设置一台监控主机，主机是一台连入Intenet、安装了景观照明系统监控软件的计算机。场景控制器及其所控制的照明单元是系统的基本组成单元。监控主机通过互联网和GPRS无线网络与系统保持信息交互，系统中根据景观照明规模与应用环境决定场景控制器台数，每个场景控制器控制协同1～127个照明单元运行。由于景观照明对实时性要求低于工业控制系统且所需传递信息量少，景观系统局部通信采用ZigBee无线传感器网络(WSN)，照明单元完成WSN传感器网络设备(device)功能，而场景控制器则实现无线传感器网关功能并充当各自传感器网络的协作器(Co-ordinator)，负责各传感器设备的组网及数据传递管理。系统中照明单元除完成传感器设备功能以外，需完成的工作包括采集本照明单元检测数据、根据系统要求发送数据、蓄电池充电管理、照明控制等。

2 功能设计
2．1 照明单元
    照明单元主要组成包括太阳能电池板(组)、电源管理模块、蓄电池(组)、LED灯控制模块、无线收发模块。太阳能板(组)将光能转换为电流，经电源管理模块为蓄电池(组)充电。景观照明系统开启后，电源管理模块将蓄电池(组)存储的电能转换为LED灯照明所需的12 V直流电，电源模块实时检测蓄电池的电压，当蓄电池电压低于阀值，模块自动将LED供电转入市电，并完成220 V交流电到12 V直流电转换。
    LED灯控制模块根据场景设置需要完成LED灯的开关、调色、调光。LED灯目前通常采用1 W或3 W的灯珠封装而成，透过不同的荧光粉LED灯珠可发出不同颜色的光。LED灯珠的封装方式有串联、并联、混联三种，可根据景观照明的色彩需求与亮度要求选择LED灯珠封装方式景观照明系统中为达到更好的色彩还原性，系统中采用红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色灯珠统一封装混联模式。LED灯控模块控制RGB三种颜色灯珠的亮度，通过透镜后形成多种色彩。控制LED灯珠亮度可以通过改变LED灯珠电流与调整LED灯珠点亮时间两种方式实现，相对改变电流调整方法，利用LED高闪断特点改变LED点亮时间更加简单且容易实现，是当前主要采用的调整灯珠亮度的方式。图2为LED灯中一路灯珠(红色)的控制原理示意图，集成电路U1是恒流源芯片(XLT604)，同时为红、绿、蓝三色灯珠提供电源，PWM引脚控制产生恒流源电流大小。MCU的P1．5发出PWM信号，占空比不同导致红灯珠点亮时间不同，从而使得红灯珠发光亮度不同，MCU P1．2引脚的高低电平则用于判断红灯珠是否损坏。

    每个照明单元发光颜色是由监控主机统一控制，监控主机下达控制指令包含的参数有：场景代码，红、绿、蓝闪断占空比，启动时间与终止时间。其结构为：
   
     
    照明单元中按照启动时间(单位：s)顺序维护控制参数顺序链表。照明单元的转换控制流程如下：
   
    DS2438芯片(内部集成了温度传感器、A／D转换器，电流积分器等电路，具有测量电池温度、电压、电流和剩余电量等多项功能)。为提高系统的可靠性、维护性，照明单元基于DS2438设计了对蓄电池组过充、过放、过压、高温保护检测电路以及对重要部件LED灯的(结温、环温)、电压、电流检测电路。状态检测信息由场景控制器(传感器网关)上传监控主机，为加强系统管理维护、提升蓄电池使用寿命、保证系统运行可靠提供信息。
2．2 场景控制器
    场景控制器内置GPRS模块通过GPRS网络接入Internet后与上位机实现通信。同时，在ZigBee无线传感器网络中其角色为协调器，负责无线传感器的组网和管理各传感器设备(照明单元)。系统设计中将每个传感器网络内的通信节点最大值设定为128个，即1个协调器和127个设备。一个景观照明系统的照明单元可能超过127个，也就是在一个系统中同时存在2个以上的协调器及其负责的网络。系统中为每个协调器设置一个惟一的16位网络PAN ID，其管理的照明单元中内嵌ZigBee终端模块需设置与本网络协调器相同的PAN ID，这样位于场景控制器的协调器即可接受处理其网络覆盖范围内相同PAN ID终端的加入网络的请求，然后加入新照明单元节点的信息。
    系统运行中，场景控制器并不处理和保存监控主机以及照明单元发来的信息，它直接将照明单元发送的状态检测信息通过局域网交给监控主机处理，同时将监控主机下达的指令发送给各照明单元。监控主机负责整个系统多个场景及照明单元的信息处理判断。系统中场景控制起到作用为传感器网关，负责与各个设备通信及Internet网的通信。
    传感器网关硬件组成包括MCU单元，GPRS模块单元，ZigBee模块单元，电源管理单元，时钟单元。其中电源管理单元输入电压将蓄电池组电压转换为GPRS模块所需的4．1 V，MCU所需的5 V以及MCU模块所需的3．3 V，MCU模块的UART0与UART1分别与GPRS和ZigBee模块连接，用于实现网络控制与通信。电路设计中应注意GPRS模块启动时的大电流将造成电压下降0．6～0．7 V，需在4．1 V输出端与地之间设计1～2个100μF的钽电容，避免由于电压降低到3．0 V带来GPRS模块保护带来的重启。场景控制器使用NXPLPC1766单片机(内含256 KBFLASH，64 KB RAM)，其两个UART口分别与GPRS模块与ZigBee收发模块接口连接。软件上基于嵌入式操作系统μC／OSⅡ实现了UDP、IP协议栈，系统中监控主机可通过UDP协议与网关实现信息交互。
2．3 监控主机
    系统中监控主机是整个景观照明系统的信息中心，系统运行时上位机软件经由Internet接收来自场景控制器转发的照明单元的状态信息，并根据场景设置要求发送查询、设置指令到场景控制器，然后由场景控制转发至相应的照明单元。
    监控主机同时也是系统的控制中心，配置控制整个系统照明单元启动时间、光源颜色及光强。系统以场景控制器为单位进行设置，为场景控制器控制的每个照明单元可配置参数，如：红、绿、蓝灯珠闪断参数各1字节(取值0～255)，每个场景包含16位场景控制器号，场景代码(8位)，127×32位照明单元。软件提供编辑功能，将编辑的结果编码后存储在本地硬盘文件。设置时加上起止时间发送给指定的场景控制器。
    监控上位机软件同时提供系统运行状态动态分析、报警、维护提示等功能。

3 网络通信协议描述
    景观照明控制系统局域通信采用ZigBee无线传感器网络，该网络目前使用广泛，是一种低速率、低功耗、短距离的无线通信技术。Zig Bee支持多种组网方式，系统基于效率、可靠性考虑，使用星型拓扑组网，即每个景观照明系统根据需要部署一个到多个Co-ordinator(场景控制器)，每个场景控制器直接与Sensor device(照明单元)通信。由于每一个传感器网络只能有一个PAN Co-ordinator，系统中监控主机通过Internet管理多个场景控制器，每个场景控制负责一个传感器网络的网络。
    (1)传感器网组网流程
    系统中为每个Co-ordinator(场景控制器)预定义一个PAN ID作为网络的标识，场景控制器启动(复位)后60 s播发广播帧，开放Sensor device(照明单元)加入网络的请求应答，照明单元一旦启动或复位后，定时进行频道扫描，一旦发现网络中出现了可以使用的场景控制器，就发出请求，场景控制器检测到请求后，判断是该照明单元信息，决定接受或拒绝设备加入网络，同时更新自己的网络表。
    (2)传感器网络信息通信
    系统中传感器网络场景控制器与照明单元间的数据传输采用直接传输方式(无中间设备转发)，即场景控制直接将数据发送给照明单元，当照明单元接收到数据后发送确认信息给场景控制器。该数据传输方式要求端节点设备随时都处于数据接收状态，也就是要求其随时都要处于唤醒的状态。场景控制器使用单播方式发送信息轮询各传感器节点，场景控制器启动后按时间片轮，依照网络表中各照明单元的顺序，定期发送数据发送请求帧到照明单元进行轮询，照明单元接收到发送请求帧，返回应答帧，应答帧中包含其状态信息(如电池电压，电辅，当前设置，灯颜色亮度等)。
    (3)传感器网与上位机的通信
    场景控制器启动获取IP地址并建立网络表，它定期(默认5 min，可设置)报告本传感器网内照明单元状态信息到上位机。上位机通过网络设置场景控制器的轮询间隔，校对场景控制器本地时钟及该网络场景(照明单元参数集)。
    (4)系统同步
    景观控制中场景效果的实现需各照明单元间协调执行，这就要求解决各照明单元的同步问题。系统在解决同步问题上采取两级同步机制，上位机软件与场景控制器通信协议间使用校验时间帧，上位机定时发送时间校验帧，场景控制器通过该帧取得上位机时间，核对校正本地时间。传感器网络中采取场景控制器每60 s发送广播脉冲帧实现其所管理网络各节点间的同步，脉冲帧中包含计时单位为秒的计数器更新数据，照明单元接收到广播脉冲帧后更新定时本地定时器计数的值，照明单元内部定时器每1 s将此定时器计数的值1。传感器网关每10 s广播一次当前时间信息，传感器网关内设时钟芯片，传感器网内部时间计数单位为秒，传感器网关将时钟芯片的HH：MM：SS换算为一秒计数，各传感器设备接收到此时间数据，更新内部的时间计数器，各传感器设备定时器1 s中断一次，中断服务中时间计数器自加1。
    (5)主要传输数据
    系统中监控主机与场景控制器以及场景控制器与各照明单元间通信数据帧主要包括：
    ①监控主机→场景控制器
    场景设置指令帧，状态请求帧，校时帧
    ②场景控制器→监控主机
    脉动帧(状态应答帧)
    ③场景控制器→照明单元
    指令帧，状态请求帧，同步帧
    ④照明单元→场景控制器
    脉动帧(状态应答帧)
    其中：场景设置指令帧根据上位机操作要求，在改变景观照明或定时启动不同场景时由监控主机发出，场景控制接收到指令帧，回复应答帧(含本网照明单元状态信息)。状态请求帧由操作人员通过上位机软件随时发出，场景控制器接收到请求帧，回复应答帧。脉动帧则由场景控制器定时上报本网络状态信息。脉动帧与应答帧格式相同，脉动帧的帧序号为0，而应答帧序号与接收的指令或查询序号相同。脉动(应答帧)格式如图3所示。

    照明单元定时测量状态信息(1 s检测一次)，照明单元应答帧与其脉动帧格式一致，信息包括温度(1 B)、湿度(1 B)、电池电压(1 B)、电源供给状态(电池、市电、电池+市电)与灯珠工况(1 B)。

4 结语
    本文介绍了一种基于ZigBee传感器网络的景观照明系统的设计，该系统利用传感器网络实现了对系统内众多照明单元状态的实时检测及集中控制管理，系统提出的检测控制通信方式保证了多场景间切换的协调同步，实时性强。在城市主体公园应用中运行可靠，多场景的设置方便、自动切换准确。同时，该系统也可应用于公园、场馆照明等照明单元多的场所。