一種ZigBee傳感器實現的景觀LED系統設計

　　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。

　　每個照明單元發光顏色是由監控主機統一控制，監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：

　　Struct LEDcontrol{

　　Number:uint8;

　　Red:uint8;

　　Green:uint8

　　Blue:uint8;

　　Begintime:uint16;

　　Endtime:uint16;

　　Struct LEDcontrol*next;

　　}

　　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：

　　Int Sence_exchange（LEDcontrol* CUR）

　　{

　　Int result=0;

　　Getcurrenttime（Time）;

　　If（Time》=CUR-》next-》begintime）

　　{

　　CUR=CUR-》next;

　　Exec_sence（CUR-》sencenumber）;

　　Result= CUR-》sencenumber;

　　}

　　If（Time》= CUR-》endtime）

　　{

　　Exec_sence（default_sence）

　　Result=0;

　　}

　　If（Time》=shuttime）

　　{

　　Shutdown（）;

　　Result=9999;

　　}

　　}

　　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、環溫）、電壓、電流檢測電路。狀態檢測信息由場景控制器（傳感器網關）上傳監控主機，為加強系統管理維護、提升蓄電池使用壽命、保證系統運行可靠提供信息。

　　2.2 場景控制器

　　場景控制器內置GPRS模塊通過GPRS網絡接入Intenet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）。系統設計中將每個傳感器網絡內的通信節點最大值設定為128個，即1個協調器和127個設備。一個景觀照明系統的照明單元可能超過127個，也就是在一個系統中同時存在2個以上的協調器及其負責的網絡。系統中為每個協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調器相同的PAN ID，這樣位于場景控制器的協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點的信息。

　　系統運行中，場景控制器并不處理和保存監控主機以及照明單元發來的信息，它直接將照明單元發送的狀態檢測信息通過局域網交給監控主機處理，同時將監控主機下達的指令發送給各照明單元。監控主機負責整個系統多個場景及照明單元的信息處理判斷。系統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Intenet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4.1V，MCU所需的5V以及MCU模塊所需的3.3V，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0.6~0.7V，需在4.1V 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3.0V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收發模塊接口連接。軟件上基于嵌入式操作系統μC/OSⅡ實現了UDP、IP協議棧，系統中監控主機可通過UDP協議與網關實現信息交互。

　　2.3 監控主機

　　系統中監控主機是整個景觀照明系統的信息中心，系統運行時上位機軟件經由Intenet接收來自場景控制器轉發的照明單元的狀態信息，并根據場景設置要求發送查詢、設置指令到場景控制器，然后由場景控制轉發至相應的照明單元。

　　監控主機同時也是系統的控制中心，配置控制整個系統照明單元啟動時間、光源顏色及光強。系統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（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送給指定的場景控制器。

　　監控上位機軟件同時提供系統運行狀態動態分析、報警、維護提示等功能。

　　3 網絡通信協議描述

　　景觀照明控制系統局域通信采用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。ZigBee支持多種組網方式，系統基于效率、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，系統中監控主機通過Intenet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60s播發廣