無線傳感器網絡之LED景觀照明控制系統的方案

太陽能LED照明系統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，基于ZigBee無線傳感器網絡架構實現系統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實時采集以及廣播幀同步協同照明單元完成場景轉換，所有系統信息通過GPRS網絡由上位機控制軟件集中處理。

LED燈與傳統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燈具工作狀態與電源供給情況，確保系統維護及時有效。

1 系統結構

景觀照明系統主要由照明單元、場景控制器與監控主機三部分構成，如圖1所示。景觀照明系統工作人員通過監控主機實現對整個景觀系統各照明單元工作狀態的檢測、管理與控制，系統中設置一臺監控主機，主機是一臺連入Intenet、安裝了景觀照明系統監控軟件的計算機。場景控制器及其所控制的照明單元是系統的基本組成單元。監控主機通過互聯網和GPRS無線網絡與系統保持信息交互，系統中根據景觀照明規模與應用環境決定場景控制器臺數，每個場景控制器控制協同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控制系統且所需傳遞信息量少，景觀系統局部通信采用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作器(Co-ordinator)，負責各傳感器設備的組網及數據傳遞管理。系統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、根據系統要求發送數據、蓄電池充電管理、照明控制等。

圖1 景觀照明系統組成

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12V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220V交流電到12V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1W 或3W的燈珠封裝而成，透過不同的熒光粉LED燈珠可發出不同顏色的光。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。景觀照明系統中為達到更好的色彩還原性，系統中采用紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色燈珠統一封裝混聯模式。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。