基于ｎＲＦ９０５智能小區(qū)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭君剛　馬斌李　李　沨　煥忠

摘要：針對小區(qū)照明的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以無線通信芯片nRF905作為傳輸介質(zhì)的智能照明控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹控制系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有可靠性高和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)

關(guān)鍵詞：照明；nRF905；智能節(jié)點(diǎn)；智能小區(qū)

隨著照明系統(tǒng)應(yīng)用場合的不斷變化，應(yīng)用情況復(fù)雜和多樣化，僅靠簡單的開關(guān)已不能完成所需要的控制，所以要求照明控制也應(yīng)隨之智能化，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。目前智能照明控制系統(tǒng)采用的是有線的控制方式，該方式需要復(fù)雜的綜合布線施工，更改節(jié)點(diǎn)或是增加節(jié)點(diǎn)很不方便，阻礙了智能照明的廣泛應(yīng)用。本文針對小區(qū)照明的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于nRF905智能照明無線控制系統(tǒng)。

智能照明控制系統(tǒng)

小區(qū)的智能照明控制系統(tǒng)主要由控制中心和智能節(jié)點(diǎn)組成。在本文中智能照明控制系統(tǒng)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無線通信模塊作為系統(tǒng)的控制中心，可以跟控制系統(tǒng)中的任何一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)通信，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送、系統(tǒng)工作過程的實(shí)時(shí)顯示等。智能節(jié)點(diǎn)按照小區(qū)的規(guī)則分布在小區(qū)的各個(gè)部分，負(fù)責(zé)照明的控制，并且對控制中心發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)的操作。智能節(jié)點(diǎn)也可以脫離控制中心，直接進(jìn)行現(xiàn)場手動控制。建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)是選擇一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)可以決定網(wǎng)絡(luò)的成本、速度、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的功能。該控制系統(tǒng)采用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地?cái)U(kuò)展組合，容易增加系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)，滿足小區(qū)在以后增減節(jié)點(diǎn)的需要、而且成本低。實(shí)踐證明，星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用可靠。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

·主要元件

從成本和難易程度考慮，系統(tǒng)微處理器采用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)為微控制器。AT89C52具有8k字節(jié)的閃爍可編程及可擦除只讀存儲器，256字節(jié)的RAM，4個(gè)并行口，3個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，兩種優(yōu)先級的6個(gè)中斷源，一個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器與時(shí)鐘電路。

nRF905是Nordic公司的單片射頻收發(fā)器，由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加濾波器，采用CRC校驗(yàn)(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，其功耗低。11RF90S傳輸速率為100kbit/s，在微波爐、手機(jī)信號等干擾情況下，傳輸速率會有所下降。nRF905在空曠地傳輸距離為S00m，有墻體建筑物等障礙時(shí)，其傳輸距離有所減??；在1～2棟建筑物阻隔的情況下、其傳輸距離不少于100m。nRF90S采用CRC校驗(yàn)，有良好的抗干擾性；密鑰管理和跳頻技術(shù)使其具有很好安全性。nRF905芯片傳輸距離、穿透能力、抗干擾性和安全性等都適合于小區(qū)無線數(shù)據(jù)傳輸。

·智能節(jié)點(diǎn)

智能節(jié)點(diǎn)可以通過無線的方式實(shí)現(xiàn)對小區(qū)各部分照明的控制、預(yù)設(shè)照明開關(guān)存儲等功能、也可以直接通過節(jié)點(diǎn)上的按鍵來控制燈的開啟和使其進(jìn)入某種預(yù)設(shè)的工作方式。智能節(jié)點(diǎn)主要由微處理器、無線芯片nRF90S、電源模塊、傳感器和執(zhí)行器等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

智能節(jié)點(diǎn)的電源來自220V電壓，需要電源轉(zhuǎn)換電路。為保證系統(tǒng)判斷傳感器輸入信號的穩(wěn)定性，電源轉(zhuǎn)換電路采用如下設(shè)計(jì)：選用專為通信控制芯片提供轉(zhuǎn)換電壓的LM1117為轉(zhuǎn)換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個(gè)不同容值的電容所構(gòu)成的濾波電路來抑制各種高頻信號，使智能節(jié)點(diǎn)能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源，保證其可靠運(yùn)行。nRF905射頻部分的電路設(shè)計(jì)也是智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，而抗干擾設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在nRF90S射頻部分布線時(shí)，合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的：nKF90S芯片底部應(yīng)接地；為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號的傳輸，要使用多個(gè)接地過孔將nRF905芯片底部和地層相連：盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)的影響，器件要緊密地分布在nRF905的四周，并使用較小封裝。

智能節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行器部分控制輸出采用繼電器控制，為了防止干擾，采用光電隔離器將輸入與輸出相互隔離，也將輸入和輸出端與AT89C52隔開。智能節(jié)點(diǎn)的微處理器單片機(jī)通過光電隔離器和繼電器控制輸出動作。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為智能節(jié)點(diǎn)軟件和控制中心系統(tǒng)軟件兩部分。

在智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將節(jié)點(diǎn)的各種功能劃分為對應(yīng)某一具體任務(wù)的子程序(如數(shù)據(jù)采集子程序、無線通信程序、看門狗子程序等)，并給每個(gè)任務(wù)定義任務(wù)優(yōu)先級、執(zhí)行頻率和標(biāo)識符。采用非搶占優(yōu)先級方式來設(shè)計(jì)，用定時(shí)器溢出中斷來調(diào)用任務(wù)。

無線通信程序設(shè)計(jì)：當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口按時(shí)序把接收的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定。激發(fā)nRF90S的發(fā)送模式后，射頻寄存器自動開啟，數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)，發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高，告知單片機(jī)nRF905發(fā)送過程完成，自動進(jìn)入空閑模式。當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要接收時(shí)，nKF905進(jìn)入接收模式。延時(shí)500μs后，nRF90S不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)nRF90S檢測到同一頻段的載波且地址和冗余校驗(yàn)正確后，nKF90S自動移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，nRF90S進(jìn)入空閑模式。微控制器通過SPI口以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)，直到所有的數(shù)據(jù)接收完畢，完成數(shù)據(jù)接收全過程。接收數(shù)據(jù)為中斷方式而發(fā)射數(shù)據(jù)查詢方式。同時(shí)，為解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐絾栴}，應(yīng)在發(fā)送有效的地址數(shù)據(jù)前加入六至八個(gè)同步校驗(yàn)碼，如0CCH(通過協(xié)議事先定義)，在地址數(shù)據(jù)后再加入所需傳輸數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，完成對整個(gè)數(shù)據(jù)段的打包過程。其數(shù)據(jù)打包順序?yàn)镺CCH(同步校驗(yàn)碼)，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，OCCH，addr1(照明區(qū)域地址數(shù)據(jù))，addr2(照明燈具地址數(shù)據(jù))，num1(傳輸有效數(shù)據(jù)1)，nurm2，…numN，checksun結(jié)束。

對于控制中心系統(tǒng)程序，其核心是人機(jī)交互與無線控制。上位機(jī)軟件采用VB面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)工具編寫，包括系統(tǒng)監(jiān)控、通信管理、數(shù)據(jù)處理、控制命令、動態(tài)顯示等模塊，具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各智能節(jié)點(diǎn)的位置以圖形方式形象地顯示在控制中心的顯示器上，檢測和控制狀態(tài)在各自位置旁動態(tài)顯示，操作者經(jīng)簡單培訓(xùn)即可對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

結(jié)語

與有線方式相比，無線控制系統(tǒng)的應(yīng)用避免了復(fù)雜的布線施工。根據(jù)需求和小區(qū)環(huán)境的變化，僅需修改軟件設(shè)置和節(jié)點(diǎn)的位置，就可以調(diào)整照明布局和擴(kuò)充功能。適用不同的使用要求，能夠降低系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用和建設(shè)周期。在實(shí)驗(yàn)室搭建的照明控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測試，能夠?qū)φ彰鞯臓顟B(tài)進(jìn)行無線和人性化的動態(tài)控制，具有一定的節(jié)能效果。