0 引言

在日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源匱乏的背景下，led 照明設(shè)備因其發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)而得到廣泛應(yīng)用。作為未來照明的主題，LED 照明系統(tǒng)正朝著智能化的方向發(fā)展。傳感、通信和控制技術(shù)的結(jié)合LED 個(gè)性化、舒適、二次節(jié)能照明。智能照明控制系統(tǒng)的基本功能包括：LED 設(shè)備亮度控制，LED采集驅(qū)動(dòng)器的電流、電壓、功率因數(shù)等物理參數(shù)，檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。智能照明控制系統(tǒng)的控制方法可分為有線和無線。常見的有線控制方法包括DALI、PLC 和RS485等，無線控制主要采用433MHz 和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)。

ANT 由于無線自組網(wǎng)協(xié)議Dynastream、Nordic 等公司推出2.4GHz 與藍(lán)牙和藍(lán)牙相比，短距離無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)Zigbee 無線通信技術(shù)具有功耗低、系統(tǒng)成本低、開發(fā)應(yīng)用周期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的短距離無線通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如1 控制系統(tǒng)由服務(wù)器軟件、集中管理器和終端控制器組成。通過以太網(wǎng)、GPRS 或3G 與集中管理器交換數(shù)據(jù)。用戶可以使用安裝在服務(wù)器上的管理軟件來檢查照明設(shè)備的實(shí)時(shí)電氣參數(shù)和工作狀態(tài)，并配置照明控制策略。集中管理器用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和終端控制器的雙向通信中繼。一方面，它接收服務(wù)器指令并發(fā)送給控制器進(jìn)行照明控制，另一方面查詢控制器狀態(tài)和電參數(shù)并上傳給服務(wù)器。集中管理器和終端控制器之間采用ANT 無線網(wǎng)絡(luò)通信。最底層的終端控制器和LED 驅(qū)動(dòng)器連接，監(jiān)控LED 照明設(shè)備的工作狀態(tài)和相關(guān)電參數(shù)的收集，并根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)整LED 光源亮度等級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

集中管理器和終端控制器的電路原理框如2 所示。集中管理器主要負(fù)責(zé)通信中繼，其處理器選擇TI 公司的16 超低功耗單片機(jī)MSP430F5418A，外設(shè)功能豐富，集成UART，SPI，I2C 等接口便于與外部系統(tǒng)連接，以滿足系統(tǒng)對(duì)通信模塊的擴(kuò)展需求。終端控制器控制輸入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光電壓或PWM 變化占空比LED 的亮度，通過采集LED 判斷驅(qū)動(dòng)器的反饋電壓LED 其處理器選擇了驅(qū)動(dòng)器是否正常運(yùn)行Freescale 公司的8 位單片機(jī)MC9S08SG8，其主要特點(diǎn)是具有4 路PWM 8路輸出ADC，非常適合燈控系統(tǒng)。

ANT 采用了網(wǎng)絡(luò)芯片Nordic 公司推出的第二代單片ANT 解決方案產(chǎn)品nRF24AP2.它提供同步/ 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)和異步串行接口nRF24AP2 芯片通過異步串口通信。ANT 協(xié)議棧預(yù)先封裝nRF24AP2 因此，單片機(jī)只需按規(guī)定的格式方向nRF24AP2發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和通信。ANT 串行數(shù)據(jù)幀以同步碼和驗(yàn)證碼開始，采用低位前導(dǎo)的方式傳輸字節(jié)。數(shù)據(jù)幀依次由以下內(nèi)容組成：

(1)同步碼(1) 字節(jié)：處理器發(fā)送給處理器ANT 芯片數(shù)據(jù)為0xA和ANT 芯片向處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)是0xA4 開始；

（2）幀長(zhǎng)（1 字節(jié)):用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多不超過9 個(gè)字節(jié)；

(3)幀類型(1 字節(jié))數(shù)據(jù)幀類型，有效值為1~255 ;

（4）數(shù)據(jù)（N 字節(jié)：用戶定義的通信數(shù)據(jù)；

(5)校驗(yàn)碼(1 字節(jié)):等于之前所有字節(jié)的異或值。

3 軟件設(shè)計(jì)

ANT 該網(wǎng)絡(luò)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星形、樹形甚至網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以滿足不同照明環(huán)境的需要。鏈網(wǎng)絡(luò)配置的目標(biāo)是路燈應(yīng)用程序。在鏈網(wǎng)絡(luò)中，集中管理器發(fā)布的命令和終端控制器回復(fù)的數(shù)據(jù)需要通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)侥繕?biāo)地址。

ANT 網(wǎng)絡(luò)管理和通信是基于通道的。ANT 設(shè)備數(shù)據(jù)交換的通信路徑，每個(gè)通道由1 個(gè)主機(jī)和1 多個(gè)從機(jī)組成。

匹配通道參數(shù)ANT 設(shè)備可以相互通信。作為命令的主動(dòng)發(fā)送者，管理器是鏈網(wǎng)絡(luò)的源設(shè)備，配置為通道的主機(jī)。終端控制器(位于鏈路末端除外)需要通信中繼，因此它同時(shí)工作在2 在接收命令的通道上作為從機(jī)，在發(fā)送命令的通道上作為主機(jī)。

通道參數(shù)包括通道類型ID、工作頻率、通道周期和網(wǎng)絡(luò)類型。按以下流程順序進(jìn)行通道配置：

(1)配置網(wǎng)絡(luò)類型:使用公共網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)密鑰；

(2)分配通道:指定主機(jī)采用共享雙向發(fā)送通道，從機(jī)采用共享雙向接收通道；

(3)配置通道ID ：主機(jī)的傳輸類型、設(shè)備類型和設(shè)備號(hào)分別為3、4 工作在某個(gè)通道的從機(jī)設(shè)置與其所在通道的主機(jī)相同；

(4)配置通道周期、無線通信頻率和發(fā)射功率:分別設(shè)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制器狀態(tài)。上電后，集中管理器首先初始化單片機(jī)：配置時(shí)鐘、異步串口波特率等，并中斷串口和定時(shí)器。初始化完成后，集中管理器nRF24AP2 操作完成上電復(fù)位、通道配置等操作，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。接收服務(wù)器命令和控制器響應(yīng)將觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)入不同的串口中斷處理程序。接收服務(wù)器命令時(shí)，集中管理器首先分析命令幀，并在獲得目標(biāo)控制器地址后向其發(fā)送命令。當(dāng)命令的對(duì)象是單個(gè)控制器時(shí)，集中管理器在發(fā)送命令后等待控制器的響應(yīng)。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到目標(biāo)控制器回復(fù)的數(shù)據(jù)，集中管理器將保存數(shù)據(jù)并更新其無線通信狀態(tài)信息；否則，集中管理器將重新發(fā)送命令幀，直到接收到控制器的響應(yīng)或重新發(fā)送。如果命令的對(duì)象是一組控制器，集中管理器將在發(fā)送命令后等待一段時(shí)間，并發(fā)送查詢命令，以確認(rèn)目標(biāo)控制器是否已按命令執(zhí)行。此外，集中管理器還定期檢查所有照明設(shè)備的工作狀態(tài)和電氣參數(shù)。

完成單片機(jī)初始化和對(duì)路由終端控制器nRF24AP2 配置后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于它們同時(shí)在兩個(gè)通道上工作，它們將從2中接收 通道數(shù)據(jù)。通道主機(jī)發(fā)送的命令有多種類型，可能是調(diào)光或查詢狀態(tài)，命令的目標(biāo)地址可能是單個(gè)或多個(gè)。路由終端控制器將對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。當(dāng)收到單播命令時(shí)，控制器首先判斷命令的目標(biāo)地址，如果發(fā)送給自己，回復(fù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令中的調(diào)光等級(jí)進(jìn)行調(diào)整PWM 空比，最終退出中斷，回到低功耗狀態(tài)；如果不是發(fā)送給自己的，響應(yīng)后繼續(xù)將命令轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)通道。同樣，如果接收到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，路由終端控制器將首先查看目標(biāo)地址，如果通過上行通道發(fā)送給管理器，如果是對(duì)自己命令的回應(yīng)，則返回退出中斷。另一方面，如果路由終端控制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(biāo)地址集合中。如果沒有，它只響應(yīng)主機(jī)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。否則，路由終端控制器將等待一段時(shí)間。當(dāng)收到終端控制器對(duì)集中管理器查詢命令的回復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，將本地?cái)?shù)據(jù)包裝并發(fā)送給通道主機(jī)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)控制器可以使用相同的1 通信包將數(shù)據(jù)回復(fù)給集中管理器，避免無線通信沖突和擁塞，而不是一一回復(fù)。

此外，終端控制器還將定期檢查驅(qū)動(dòng)器的工作電壓是否正常，并收集相關(guān)電氣參數(shù)。

終端控制器的功能相對(duì)簡(jiǎn)單。除了定期檢查驅(qū)動(dòng)器的工作電壓是否正常，并收集相關(guān)電氣參數(shù)外，只需在收到發(fā)布的命令后響應(yīng)并按命令操作即可。

4 總結(jié)

智能照明是LED照明控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。本文基于ANT 無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)LED 照明控制系統(tǒng)及其軟硬件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不需要布線，安裝方便，運(yùn)行可靠，可以提高照明控制系統(tǒng)的智能水平，有效保證照明設(shè)備的正常運(yùn)行。