智能照明控製係統的控製方法

0 引言

在日益嚴重的環境汙染和能源匱乏的背景下，led 照明設備因其發光效率高、使用壽命長而得到廣泛應用。作為未來照明的主題，LED 照明係統正朝著智能化的方向發展。傳感、通信和控製技術的結合LED 個性化、舒適、二次節能照明。智能照明控製係統的基本功能包括：LED 設備亮度控製，LED采集驅動器的電流、電壓、功率因數等物理參數，檢測設備的工作狀態。智能照明控製係統的控製方法可分為有線和無線。常見的有線控製方法包括DALI、PLC 和RS485等，無線控製主要采用433MHz 和Zigbee 網絡傳輸信號。

ANT 由於無線自組網協議Dynastream、Nordic 等公司推出2.4GHz 與藍牙和藍牙相比，短距離無線網絡標準Zigbee 無線通信技術具有功耗低、係統成本低、開發應用周期短等優點，是一種競爭力強的短距離無線通信技術。

1 係統架構

如1 控製係統由服務器軟件、集中管理器和終端控製器組成。通過以太網、GPRS 或3G 與集中管理器交換數據。用戶可以使用安裝在服務器上的管理軟件來檢查照明設備的實時電氣參數和工作狀態，並配置照明控製策略。集中管理器用於實現服務器和終端控製器的雙向通信中繼。一方麵，它接收服務器指令並發送給控製器進行照明控製，另一方麵查詢控製器狀態和電參數並上傳給服務器。集中管理器和終端控製器之間采用ANT 無線網絡通信。最底層的終端控製器和LED 驅動器連接，監控LED 照明設備的工作狀態和相關電參數的收集，並根據指令進行調整LED 光源亮度等級。

2 硬件設計

集中管理器和終端控製器的電路原理框如2 所示。集中管理器主要負責通信中繼，其處理器選擇TI 公司的16 超低功耗單片機MSP430F5418A，外設功能豐富，集成UART，SPI，I2C 等接口便於與外部係統連接，以滿足係統對通信模塊的擴展需求。終端控製器控製輸入驅動器的調光電壓或PWM 變化占空比LED 的亮度，通過采集LED 判斷驅動器的反饋電壓LED 其處理器選擇了驅動器是否正常運行Freescale 公司的8 位單片機MC9S08SG8，其主要特點是具有4 路PWM 8路輸出ADC，非常適合燈控係統。

ANT 采用了網絡芯片Nordic 公司推出的第二代單片ANT 解決方案產品nRF24AP2.它提供同步/ 本設計采用單片機和異步串行接口nRF24AP2 芯片通過異步串口通信。ANT 協議棧預先封裝nRF24AP2 因此，單片機隻需按規定的格式方向nRF24AP2發送命令數據幀，實現網絡和通信。ANT 串行數據幀以同步碼和驗證碼開始，采用低位前導的方式傳輸字節。數據幀依次由以下內容組成：

(1)同步碼(1) 字節：處理器發送給處理器ANT 芯片數據為0xA和ANT 芯片向處理器發送的數據是0xA4 開始；

（2）幀長（1 字節):用戶數據長度最多不超過9 個字節；

(3)幀類型(1 字節)數據幀類型，有效值為1~255 ;

（4）數據（N 字節：用戶定義的通信數據；

(5)校驗碼(1 字節):等於之前所有字節的異或值。

3 軟件設計

ANT 該網絡提供點對點、星形、樹形甚至網絡拓撲，可以滿足不同照明環境的需要。鏈網絡配置的目標是路燈應用程序。在鏈網絡中，集中管理器發布的命令和終端控製器回複的數據需要通過多跳轉發傳輸到目標地址。

ANT 網絡管理和通信是基於通道的。ANT 設備數據交換的通信路徑，每個通道由1 個主機和1 多個從機組成。

匹配通道參數ANT 設備可以相互通信。作為命令的主動發送者，管理器是鏈網絡的源設備，配置為通道的主機。終端控製器(位於鏈路末端除外)需要通信中繼，因此它同時工作在2 在接收命令的通道上作為從機，在發送命令的通道上作為主機。

通道參數包括通道類型ID、工作頻率、通道周期和網絡類型。按以下流程順序進行通道配置：

(1)配置網絡類型:使用公共網絡和公共網絡密鑰；

(2)分配通道:指定主機采用共享雙向發送通道，從機采用共享雙向接收通道；

(3)配置通道ID ：主機的傳輸類型、設備類型和設備號分別為3、4 工作在某個通道的從機設置與其所在通道的主機相同；

(4)配置通道周期、無線通信頻率和發射功率:分別設置為2秒和2466MHz 和0dBm ;

(5)打開通道。

集中管理器的功能包括通信中繼和定期查詢控製器狀態。上電後，集中管理器首先初始化單片機：配置時鍾、異步串口波特率等，並中斷串口和定時器。初始化完成後，集中管理器nRF24AP2 操作完成上電複位、通道配置等操作，然後進入低功耗狀態。接收服務器命令和控製器響應將觸發單片機進入不同的串口中斷處理程序。接收服務器命令時，集中管理器首先分析命令幀，並在獲得目標控製器地址後向其發送命令。當命令的對象是單個控製器時，集中管理器在發送命令後等待控製器的響應。如果在規定的時間內收到目標控製器回複的數據，集中管理器將保存數據並更新其無線通信狀態信息；否則，集中管理器將重新發送命令幀，直到接收到控製器的響應或重新發送。如果命令的對象是一組控製器，集中管理器將在發送命令後等待一段時間，並發送查詢命令，以確認目標控製器是否已按命令執行。此外，集中管理器還定期檢查所有照明設備的工作狀態和電氣參數。

完成單片機初始化和對路由終端控製器nRF24AP2 配置後進入低功耗狀態。由於它們同時在兩個通道上工作，它們將從2中接收 通道數據。通道主機發送的命令有多種類型，可能是調光或查詢狀態，命令的目標地址可能是單個或多個。路由終端控製器將對不同類型的數據進行不同的處理。當收到單播命令時，控製器首先判斷命令的目標地址，如果發送給自己，回複數據，並根據命令中的調光等級進行調整PWM 空比，最終退出中斷，回到低功耗狀態；如果不是發送給自己的，響應後繼續將命令轉發到另一個通道。同樣，如果接收到從機發送的數據，路由終端控製器將首先查看目標地址，如果通過上行通道發送給管理器，如果是對自己命令的回應，則返回退出中斷。另一方麵，如果路由終端控製器收到的命令是多種廣播類型，它首先判斷它是否包含在目標地址集合中。如果沒有，它隻響應主機並轉發數據。否則，路由終端控製器將等待一段時間。當收到終端控製器對集中管理器查詢命令的回複數據時，將本地數據包裝並發送給通道主機。這樣做的優點是多個控製器可以使用相同的1 通信包將數據回複給集中管理器，避免無線通信衝突和擁塞，而不是一一回複。

此外，終端控製器還將定期檢查驅動器的工作電壓是否正常，並收集相關電氣參數。

終端控製器的功能相對簡單。除了定期檢查驅動器的工作電壓是否正常，並收集相關電氣參數外，隻需在收到發布的命令後響應並按命令操作即可。

4 總結

智能照明是LED照明控製係統的未來發展方向。本文基於ANT 無線網絡通信技術LED 照明控製係統及其軟硬件的設計。該係統不需要布線，安裝方便，運行可靠，可以提高照明控製係統的智能水平，有效保證照明設備的正常運行。