一種基于ANT的LED照明控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

0 引言

在環(huán)境污染和能源匱乏日益嚴(yán)重的背景下，LED 照明設(shè)備因其發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。作為未來(lái)照明的主題，LED 照明系統(tǒng)正在向智能化的方向發(fā)展。通過(guò)結(jié)合使用傳感、通信和控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LED 照明的個(gè)性化、舒適性和二次節(jié)能。智能照明控制系統(tǒng)的基本功能包括：LED 設(shè)備的亮度控制， LED驅(qū)動(dòng)器的電流、電壓和功率因數(shù)等物理參數(shù)的采集，以及設(shè)備工作狀態(tài)的檢測(cè)。智能照明控制系統(tǒng)的控制方式可分為有線和無(wú)線兩種，常見(jiàn)的有線控制方式包括DALI、PLC 和RS485等，無(wú)線控制則主要采用433MHz 和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)。

ANT 無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議是由Dynastream、Nordic 等公司推出的2.4GHz 短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，相比于藍(lán)牙和Zigbee 等無(wú)線通信技術(shù)，它具有更低的功耗、更低的系統(tǒng)成本和更短的開發(fā)應(yīng)用周期等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的短距離無(wú)線通信技術(shù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1 所示，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。最上層的服務(wù)器設(shè)于遠(yuǎn)程控制中心，通過(guò)以太網(wǎng)、GPRS 或3G 等方式與集中管理器交換數(shù)據(jù)。用戶可利用安裝在服務(wù)器上的管理軟件查看照明設(shè)備的實(shí)時(shí)電參數(shù)和工作狀態(tài)，配置照明控制策略。集中管理器用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與終端控制器的雙向通信中繼，一方面接收服務(wù)器指令并下發(fā)給控制器以進(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。位于最底層的終端控制器與LED 驅(qū)動(dòng)器相連，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)LED 照明設(shè)備的工作狀態(tài)和采集相關(guān)電參數(shù)，同時(shí)根據(jù)指令調(diào)整LED 光源的亮度等級(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圖如圖2 所示。集中管理器主要負(fù)責(zé)通信中繼，其處理器選用了TI 公司的16 位超低功耗單片機(jī)MSP430F5418A,它的外設(shè)功能豐富，集成UART,SPI,I2C 等接口，便于與外部系統(tǒng)互聯(lián)，滿足系統(tǒng)對(duì)通信模塊的擴(kuò)展需求。終端控制器通過(guò)控制輸入驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光電壓或PWM 的占空比來(lái)改變LED 的亮度，通過(guò)采集LED 驅(qū)動(dòng)器的反饋電壓來(lái)判斷LED 驅(qū)動(dòng)器是否運(yùn)行正常，其處理器則選用了Freescale 公司的8 位單片機(jī)MC9S08SG8,其主要特點(diǎn)是具有4 路PWM 輸出，以及8路ADC,非常適用于燈控系統(tǒng)。

ANT 網(wǎng)絡(luò)芯片采用了Nordic 公司推出的第二代單片ANT 解決方案產(chǎn)品nRF24AP2,它提供了同步/ 異步串行接口，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)與nRF24AP2 芯片通過(guò)異步串口通信。ANT 協(xié)議棧被預(yù)先封裝在nRF24AP2 中，因此單片機(jī)只需按照規(guī)定格式向nRF24AP2發(fā)送命令數(shù)據(jù)幀，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和通信。ANT 串行數(shù)據(jù)幀均以同步碼開始、校驗(yàn)碼結(jié)束，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ANT 芯片的數(shù)據(jù)以0xA5作為同步碼，而ANT 芯片向處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)則以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(guò)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 網(wǎng)絡(luò)提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星形、樹形乃至網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梢詽M足不同照明環(huán)境的需求。本設(shè)計(jì)以路燈應(yīng)用為目標(biāo)進(jìn)行鏈狀網(wǎng)絡(luò)配置。在鏈狀網(wǎng)絡(luò)中，集中管理器下發(fā)的命令和終端控制器回復(fù)的數(shù)據(jù)都需要采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸?shù)侥繕?biāo)地址。

ANT 基于通道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和通信。通道是ANT 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信路徑，每個(gè)通道由1 個(gè)主機(jī)和1 至多個(gè)從機(jī)組成。

通道參數(shù)相匹配的ANT 設(shè)備之間才能互相通信。管理器作為命令的主動(dòng)發(fā)送方，是鏈狀網(wǎng)絡(luò)的源設(shè)備，它被配置為所在通道的主機(jī)。終端控制器(除了位于鏈路末端)需要進(jìn)行通信中繼，因此它同時(shí)工作在2 個(gè)通道上，在接收命令的通道上作為從機(jī)，而在發(fā)送命令的通道上作為主機(jī)。

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

(1)配置網(wǎng)絡(luò)類型：采用公共網(wǎng)絡(luò)及公共網(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 和4,工作于某通道的從機(jī)的設(shè)置與其所在通道的主機(jī)相同;

(4)配置通道周期、無(wú)線通信頻率和發(fā)射功率：分別設(shè)置為2秒、2466MHz 和0dBm ;

(5)打開通道。

集中管理器的功能包括通信中繼和定時(shí)查詢控制器狀態(tài)。上電后，集中管理器首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化：配置時(shí)鐘、異步串口的波特率等，并使能串口和定時(shí)器中斷。初始化完成后，集中管理器對(duì)nRF24AP2 進(jìn)行操作，完成上電復(fù)位、通道配置等操作，隨后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。接收到服務(wù)器命令和控制器應(yīng)答會(huì)觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)入不同的串口中斷處理程序。在接收到服務(wù)器命令時(shí)，集中管理器先對(duì)命令幀進(jìn)行解析處理，得到目標(biāo)控制器地址后向其發(fā)送命令。當(dāng)下發(fā)命令的對(duì)象是單個(gè)控制器時(shí)，集中管理器發(fā)送完命令后會(huì)等待控制器的應(yīng)答。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到目標(biāo)控制器回復(fù)的數(shù)據(jù)時(shí)，集中管理器會(huì)保存數(shù)據(jù)并更新其無(wú)線通信狀態(tài)信息;否則集中管理器會(huì)重發(fā)命令幀，直到接收到控制器的應(yīng)答或重發(fā)次數(shù)達(dá)到最大。如果下發(fā)命令的對(duì)象是一組控制器，集中管理器則會(huì)在發(fā)送完命令后等待一段時(shí)間，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)行相應(yīng)操作。此外，集中管理器還會(huì)定時(shí)查詢所有照明設(shè)備的工作狀態(tài)和電參數(shù)。

路由終端控制器在完成單片機(jī)初始化和對(duì)nRF24AP2 的配置后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于它們同時(shí)工作在兩個(gè)通道上，因此會(huì)接收到來(lái)自2 個(gè)通道的數(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)地址也可能是單個(gè)或多個(gè)。針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)，路由終端控制器會(huì)做不同的處理。在接收到單播命令的情況下，控制器首先判斷命令的目標(biāo)地址，如果是發(fā)送給自己的則回復(fù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令中的調(diào)光等級(jí)調(diào)整PWM 的占空比，最后退出中斷回到低功耗狀態(tài);如果不是發(fā)送給自己的，則應(yīng)答后繼續(xù)在另一通道上向從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)命令。同樣的，如果接收到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，路由終端控制器也會(huì)首先查看目標(biāo)地址，如果是發(fā)送給管理器的則通過(guò)上行通道發(fā)送出去，如果是對(duì)自己所下發(fā)的命令的應(yīng)答則回到退出中斷。另一方面，如果路由終端控制器接收到的命令是多播類型，它首先判斷自己是否包括在目標(biāo)地址集合中，如果不在那么它只應(yīng)答主機(jī)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。否則，路由終端控制器會(huì)等待一段時(shí)間，在接收到末端控制器對(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)封裝進(jìn)去，再發(fā)送給通道主機(jī)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于多個(gè)控制器可以使用同1 個(gè)通信包將數(shù)據(jù)回復(fù)給集中管理器，而不必一一回復(fù)，避免無(wú)線通信沖突和擁塞。

另外，終端控制器還會(huì)定時(shí)查詢驅(qū)動(dòng)器的工作電壓是否正常，并采集相關(guān)電參數(shù)。

末端終端控制器的功能比較簡(jiǎn)單，除了定時(shí)查詢驅(qū)動(dòng)器的工作電壓是否正常，并采集相關(guān)電參數(shù)外，只要在接收到下發(fā)的命令后應(yīng)答、并按命令進(jìn)行相應(yīng)操作即可。

4 總結(jié)

智能照明是LED照明控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。本文基于ANT 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了無(wú)線LED 照明控制系統(tǒng)及其軟硬件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)無(wú)需布線，安裝方便，運(yùn)行可靠，能提高燈控系統(tǒng)的智能化水平，有力保障照明設(shè)備的正常運(yùn)行。