基于物聯(lián)網(wǎng)的智能LED照明集中控制系統(tǒng)*

羅　樂

(成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院， 成都 611730)

LED照明因其具有低碳環(huán)保、能耗低、使用壽命長、響應(yīng)速度快和顏色豐富等優(yōu)點，已被人們廣泛關(guān)注和使用，利用LED來替代當(dāng)前普遍使用的節(jié)能燈是照明系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢.

然而，現(xiàn)有的大部分LED照明僅采用簡單的人工控制和時間控制的照明方式，不具備智能控制功能或僅具備低級的智能控制方式，無法對LED燈進行自檢，也不能對其進行本地和遠程調(diào)控，導(dǎo)致運營成本較高.隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，人們的生產(chǎn)生活邁入了新的時代，開始探索利用新技術(shù)來改造現(xiàn)有的照明系統(tǒng).物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和普及為解決該問題提供了有效的方法.物聯(lián)網(wǎng)是在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線通信技術(shù)將各種信息敏感器與控制器結(jié)合起來，形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，極大地方便了人與物、物與物之間的溝通和聯(lián)系.目前，國內(nèi)外很多學(xué)者都圍繞基于物聯(lián)網(wǎng)來設(shè)計LED智能照明系統(tǒng)這個主題開展了相關(guān)的研究工作[1-7].

為了使LED路燈照明系統(tǒng)能夠按需智能工作和實時監(jiān)控，從而達到提高用電效率和節(jié)約電能的目的，本文設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能LED照明集中控制系統(tǒng)，以STM32系列的ARM處理器作為微控制器，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)的不同模塊聯(lián)系起來，根據(jù)光照度傳感器檢測到的外部環(huán)境明暗度和控制中心的指令來調(diào)節(jié)LED路燈不同的照明方式，實現(xiàn)LED路燈照明集中化和遠程化的智能控制.

1　系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1　總體設(shè)計

在本文系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能LED照明集中控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.控制系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分構(gòu)成.上位機包含控制中心和相應(yīng)軟件，主要負責(zé)顯示下位機采集的數(shù)據(jù)和向下位機發(fā)送控制指令；下位機包含ZigBee無線通信組件和LED照明終端，主要負責(zé)采集LED照明終端、無線網(wǎng)絡(luò)的信息和傳輸上位機的控制指令.

圖1　系統(tǒng)總體框圖Fig.1　Overall block diagram of system

1.2　ARM控制處理器

在控制中心部分采用STM32系列的芯片作為微控制處理器，它是一類內(nèi)嵌了Cortex-M3內(nèi)核的ARM處理器，具有非常多的外設(shè)可供使用，屬于32位的內(nèi)核處理器，有4GB的尋址空間，具備了存儲保護單元.

在STM32F107的架構(gòu)內(nèi)部，CM3內(nèi)核分別通過三條不同的總線與其他組件和部件相連，即連接Flash存儲器的I_Code總線、連接總線矩陣的D_Code總線和系統(tǒng)總線.除此之外，STM32F107內(nèi)部主要還有DHA總線和AHB/APB橋.

1.3　ZigBee集中控制網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一種具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)拓撲靈活且時間延遲短等特點的無線雙向通信技術(shù)[8]，它的傳輸距離約為10～75 m，擴展之后能夠傳輸幾百米，甚至可以達到幾公里，已被應(yīng)用于傳輸速率較低的無線通信設(shè)備中，在控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.

ZigBee的協(xié)議棧包含了七層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、應(yīng)用支持子層、應(yīng)用程序框架和設(shè)備對象層.ZigBee集中控制網(wǎng)絡(luò)是一種無線網(wǎng)絡(luò)，其由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器節(jié)點以及終端節(jié)點構(gòu)成，每個部分負責(zé)不同的功能.ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)狀型、樹型和星型三種.本文主要采用樹型結(jié)構(gòu)，示意圖如圖2所示.在該結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器位于整個網(wǎng)絡(luò)的控制中心，主要負責(zé)創(chuàng)建、管理和維護整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，以及作為外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的通信樞紐；路由器節(jié)點用來發(fā)現(xiàn)路由，分別向終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)；終端節(jié)點位于LED路燈終端，主要負責(zé)采集LED照明終端的數(shù)據(jù)、接收控制指令和作出控制響應(yīng).在系統(tǒng)正常工作時，上位機可以通過串口或網(wǎng)口向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)器再經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)和路由器將控制指令發(fā)送給終端節(jié)點，終端節(jié)點收到信息后，將采集到的數(shù)據(jù)再由相反的路徑上傳給上位機.

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　　　　Schematic topological structure of ZigBee network

1.4　LED路燈終端設(shè)備

LED路燈終端設(shè)備示意圖如圖3所示.該設(shè)備主要包含控制模塊、恒流驅(qū)動模塊、時鐘模塊、光電檢測模塊和顯示模塊.

圖3　LED路燈終端設(shè)備示意圖Fig.3　　　　Schematic terminal equipment of LED street lamp

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　控制處理器硬件設(shè)計

控制處理器的硬件部分是整個智能LED照明集中控制系統(tǒng)的核心，主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、維護和管理以及數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送.本文選用STM32F107VCT6系統(tǒng)電路作為最小系統(tǒng)，晶體振蕩器分別設(shè)計了HSE和LSE兩個外部時鐘電路，前者的頻率為25 MHz，能為最小系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的主時鐘，后者的頻率為32.768 kHz，它是功耗較低的時鐘，但具備定時功能.該控制處理器將采集到各端點的數(shù)據(jù)進行分類處理和打包封裝，再通過串口或網(wǎng)線發(fā)送給上位機.

2.2　網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

根據(jù)ZigBee的規(guī)范和手冊[9-10]為ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件電路最小系統(tǒng)分別設(shè)計兩個頻率為32 MHz和32.768 kHz的外部晶振時鐘.根據(jù)系統(tǒng)要求為路由器節(jié)點設(shè)計硬件電路.由于路由器節(jié)點的作用是在協(xié)調(diào)器與LED終端之間進行中繼路由，為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和減少數(shù)據(jù)指令的錯誤傳輸，必須增強路由器的功率.CC2530能夠傳輸?shù)淖畲缶嚯x不超過100 m，考慮到阻攔和障礙引起的衰減，本文將CC2530模塊和CC2591模塊結(jié)合起來，確保整個系統(tǒng)能正常工作.

2.3　終端設(shè)備硬件設(shè)計

在LED路燈終端設(shè)備上，恒流驅(qū)動部分選用的LED驅(qū)動芯片為MBI1802R-EXT，其具有節(jié)能和使用方便的優(yōu)點，只需要調(diào)節(jié)外接電阻即可控制其輸出電流；在環(huán)境光照度檢測部分，采用BH1750FVI光照度傳感器和CC2530模塊，輸出端連接AVR控制器的I/O口，能夠采集當(dāng)前環(huán)境的光照度數(shù)據(jù)，通過CC2530發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；在LED照明燈亮度調(diào)節(jié)部分，選用PT4115調(diào)光模塊和CC2530模塊，通過CC2530模塊接收協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)，根據(jù)照度值改變PWM的脈沖，用恒流來驅(qū)動多個LED燈照明；在時鐘電路部分，AVR控制器與DS1302通過3線串行連接，用它來控制RST、SCLK和I/O，即可在兩者之間傳輸數(shù)據(jù).

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和網(wǎng)絡(luò)控制三部分.在數(shù)據(jù)采集部分，終端節(jié)點按照一定的時間周期采集當(dāng)前的光照度、溫度和濕度等數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，終端節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器，其中，路由器節(jié)點負責(zé)中繼作用；在網(wǎng)絡(luò)控制部分，協(xié)調(diào)器整合接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并且上位機生成的控制指令由協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端節(jié)點.為了實現(xiàn)這三部分的功能，首先要設(shè)計正確的通信協(xié)議，然后再對路由器和協(xié)調(diào)器分別進行程序設(shè)計.

3.1　通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議分為路由器與協(xié)調(diào)器之間的通信協(xié)議和協(xié)調(diào)器與上位機之間的通信協(xié)議.在路由器與協(xié)調(diào)器之間，為了確保數(shù)據(jù)收發(fā)的有效性，需要對描述符的輸入簇和輸出簇進行配置，并根據(jù)簇ID來對數(shù)據(jù)進行分類.簇ID的定義如表1所示.

表1　簇ID定義Tab.1　Definition of cluster ID

協(xié)調(diào)器與上位機之間的通信協(xié)議定義為：協(xié)調(diào)器通過串口接收到上位機的數(shù)據(jù)采集控制指令之后轉(zhuǎn)發(fā)至路由器，與此同時，協(xié)調(diào)器將路由器傳輸來的終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機；上位機向協(xié)調(diào)器發(fā)送開關(guān)等控制指令之后，由協(xié)調(diào)器來開關(guān)與路由器節(jié)點相連的終端節(jié)點.

3.2　路由器程序設(shè)計

路由器的程序設(shè)計需要實現(xiàn)以下功能：1)自動加入網(wǎng)絡(luò)，將自己的網(wǎng)絡(luò)地址傳輸給協(xié)調(diào)器；2)采集敏感器的各類數(shù)據(jù)，含溫度、濕度和光照度等；3)根據(jù)控制指令周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集的數(shù)據(jù).路由器程序設(shè)計流程圖如圖4所示.

圖4　路由器程序設(shè)計流程圖Fig.4　Flow chart of program design for router

3.3　協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器可以在兩種模式下工作：直接接收數(shù)據(jù)和通過串口觸發(fā)接收數(shù)據(jù).在第一種模式下，協(xié)調(diào)器直接接收路由器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再由串口發(fā)送給上位機；在第二種模式下，協(xié)調(diào)器在經(jīng)過串口收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸指令后，將該指令轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的終端節(jié)點，由終端節(jié)點通過路由器節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器經(jīng)過串口發(fā)送給上位機.協(xié)調(diào)器程序設(shè)計流程圖如圖5所示.

4　系統(tǒng)性能測試與分析

在系統(tǒng)設(shè)計完成之后，為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性和有效性，確保其能夠正常運行，需要對系統(tǒng)性能進行模擬試驗.系統(tǒng)的性能測試分為通信網(wǎng)絡(luò)測試、終端節(jié)點控制測試和系統(tǒng)功能測試.

4.1　通信網(wǎng)絡(luò)測試

由上位機通過串口發(fā)送指令到協(xié)調(diào)器，再經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向路由器節(jié)點和終端節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù).將上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)與終端節(jié)點接收的數(shù)據(jù)進行比較，測試ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信性能.

在經(jīng)過反復(fù)測試之后，得到的測試結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)具有較強的抗干擾性能，節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較準(zhǔn)確，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，能夠達到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求.

圖5　協(xié)調(diào)器程序設(shè)計流程圖Fig.5　Flow chart of program design for coordinator

測試時間min發(fā)送字節(jié)數(shù)正確接收字節(jié)數(shù)錯誤接收字節(jié)數(shù)誤碼率%6075007446540.7418022500223621380.6136045000448311690.3848060000597942060.34

4.2　終端節(jié)點控制測試

終端節(jié)點控制測試主要是對LED燈的工作進行測試，包含了對環(huán)境亮度變化的測試、故障的測試、恒流的測試和功率調(diào)節(jié)的測試.

1) 環(huán)境亮度變化的測試.在終端節(jié)點上，通過模擬改變LED燈所處環(huán)境的光照度使得敏感電阻的電壓值大小發(fā)生變化來控制LED燈的開關(guān).在測試過程中，首先使LED燈處于關(guān)閉狀態(tài)，減小光照度，LED燈亮；然后增大光照度，LED燈滅.因此，LED燈能夠響應(yīng)環(huán)境光照度的變化.

2) 故障的測試.將LED燈關(guān)閉，使得測量比較器的電壓值較低，終端節(jié)點能夠堅持到該狀態(tài)，然后將狀態(tài)發(fā)送給路由器，再由路由器將故障狀態(tài)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器和上位機.因此，故障的檢測具有較高的時效性.

3) 恒流的測試.在終端節(jié)點上給LED燈的輸出功率設(shè)定為500 mW，標(biāo)準(zhǔn)供電電壓為5 V，過壓保護為8.5 V.當(dāng)外接電壓值由4 V變化到8 V時，任意選取9個點進行測試，計算偏差，得到的測試結(jié)果如表3所示.從表3中可以看出，LED燈工作的平均電流為89.78 mA，偏差率的平均值為0.77%，小于給定的偏差1.2%.因此，具有較好的恒流驅(qū)動效果.

表3　恒流測試結(jié)果Tab.3　Test results of constant current

4) 功率調(diào)節(jié)的測試.在終端節(jié)點上，通過控制可調(diào)脈寬信號，將功率按照50 mW等間隔，從300 mW調(diào)節(jié)到700 mW，并使用萬用表測量LED燈的電壓和電流，計算出實際功率，結(jié)果如表4所示.從表4可以看出，在300～700 mW的范圍內(nèi)，功率調(diào)節(jié)的偏差小于1%.因此，具有較好的功率調(diào)節(jié)效果.

4.3　系統(tǒng)功能測試

在完成硬件部分的測試之后就是對系統(tǒng)的功能進行總體測試.將各部分整合為一個系統(tǒng)，在模擬的真實燈光環(huán)境下，分別測試LED燈的遠程調(diào)光控制和LED燈智能調(diào)光控制.測試環(huán)境搭建完成之后，在上位機上啟動服務(wù)器和監(jiān)控軟件，統(tǒng)計4個檔位燈光強度下系統(tǒng)的功率、耗電量、省電量和響應(yīng)延時等參數(shù)，在每個檔位下重復(fù)10次測試，得到的測試結(jié)果如表5所示.從表5可以看出，遠程控制和智能控制的延時分別在0.5和2 s以內(nèi)，且檔位越低，省電率越高，因此，能夠滿足工程實際使用的需要.

表4　功率調(diào)節(jié)測試結(jié)果Tab.4　Test results of power regulation

表5　系統(tǒng)性能測試結(jié)果Tab.5　Test results of system performance

5　結(jié)　論

降低LED路燈的能量消耗，實現(xiàn)LED路燈的自動監(jiān)控是智慧城市的基本要求.本文設(shè)計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能LED集中控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運行簡單、維護方便且智能化的程度較高，可以對LED路燈節(jié)點進行自組網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)由環(huán)境光照度來自動調(diào)整LED路燈光照功率的功能，極大地提升了LED路燈的節(jié)能效益并節(jié)省了LED路燈管理的人力與物力成本.相對于傳統(tǒng)的LED路燈照明系統(tǒng)，本文系統(tǒng)具有更加明顯的效能優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用價值.