基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能照明控制系統(tǒng)

劉 璐 周靖林

（1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029； 2.中國(guó)石化江西石油分公司，南昌 330046 ）

在我國(guó)照明耗電占年發(fā)電量的12%左右[1]。目前，智能照明控制系統(tǒng)在美國(guó)使用率超過(guò)70%，歐洲為 40%～50%，日韓占 15%～20%，而中國(guó)低于1‰[2]。可見(jiàn)，智能照明控制在我國(guó)存在極大發(fā)展?jié)摿爸匾F(xiàn)實(shí)意義。本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC通信與照明控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈具自動(dòng)控制，提高系統(tǒng)管理水平。

1 系統(tǒng)方案概述

本文的智能照明控制系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC 服務(wù)器和用戶界面3 部分組成。

底層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)基站和多個(gè)從站。其中，從站與被控LED 燈連接并將燈的狀態(tài)信息傳送給基站。基站通過(guò)RS232 與PC 機(jī)相連，將接受的控制命令下達(dá)給從站。系統(tǒng)使用ATmega16L 單片機(jī)和nRF905 無(wú)線射頻模塊構(gòu)成工作于433MHz 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，兩者通過(guò)SPΙ 串行口相連。

上位機(jī)中具有專門開(kāi)發(fā)的OPC DA 服務(wù)器。OPC 服務(wù)器與組態(tài)軟件中開(kāi)發(fā)的用戶界面之間采用OPC 技術(shù)通信，與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站之間采用RS232 串行通信。OPC 服務(wù)器負(fù)責(zé)將用戶下達(dá)的控制命令傳送給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站，并將基站傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)上傳至用戶界面顯示。

在組態(tài)軟件中開(kāi)發(fā)的用戶界面能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示設(shè)備狀態(tài)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈的組合控制、溫度控制、PWM 控制、定時(shí)控制及操作記錄等功能。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些低功耗、低成本、體積小的傳感器節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線通訊方式組成的網(wǎng)絡(luò)，融合傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理、傳輸及應(yīng)用[4]，具有施工成本低、系統(tǒng)擴(kuò)展性好、運(yùn)行維護(hù)易等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，有基站和從站兩類節(jié)點(diǎn)?；九c各從站間進(jìn)行雙向通信，從站互不通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配有ΙD 地址，有接收、發(fā)送兩種狀態(tài)，默認(rèn)處于接收狀態(tài)。

2）MAC 層協(xié)議

為避免多個(gè)從站同時(shí)向基站發(fā)送信息導(dǎo)致信道沖突，且照明系統(tǒng)對(duì)控制時(shí)延性要求不高，所以網(wǎng)絡(luò)MAC 層采用非堅(jiān)持CSMA/CA 協(xié)議。通信前，節(jié)點(diǎn)先利用nRF905 的載波檢測(cè)引腳CD 監(jiān)聽(tīng)信道是否空閑，若空氣中有同頻信號(hào)則CD 自動(dòng)置高。若信道忙碌則節(jié)點(diǎn)隨機(jī)延遲一段時(shí)間后再重新監(jiān)聽(tīng)。信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)并不立即發(fā)送，而是采取一定的退避機(jī)制，將信道沖突的概率降至最小。因?yàn)楫?dāng)某從站與基站通信完畢的瞬間，可能有多個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的從站同時(shí)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑，此時(shí)信道沖突的可能性最大，所以節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間后再進(jìn)行發(fā)送。這里采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法BEB，設(shè)爭(zhēng)用期（即節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)至接收到信道沖突的時(shí)間）為2t，各站重傳次數(shù)為N，從整數(shù)集合[0，1，…，(2N-1)]中隨機(jī)取數(shù)，記為R。節(jié)點(diǎn)重傳產(chǎn)生的時(shí)延D為2t的R倍，即D=R×2t。站點(diǎn)在發(fā)送前若檢測(cè)到信道空閑，就立即啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器，只要信道空閑，退避計(jì)數(shù)器就遞減，若退避過(guò)程中檢測(cè)到信道被占用則暫停退避計(jì)數(shù)器并保持計(jì)數(shù)器值不變，當(dāng)信道重新空閑時(shí)在原有計(jì)數(shù)值基礎(chǔ)上再次啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)值減到零時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 非堅(jiān)持CSMA/CA 流程圖

3）沖突避免策略

CSMA/CA 協(xié)議只能解決發(fā)送端的數(shù)據(jù)沖突問(wèn)題，但接收端仍存在數(shù)據(jù)沖突的可能，即“隱藏節(jié)點(diǎn)”問(wèn)題。因此系統(tǒng)引入RTS/CTS/DATA/ACK 握手機(jī)制。具體過(guò)程如下：

（1）從站向基站發(fā)送前先通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式獲得信道使用權(quán)，再向基站發(fā)送請(qǐng)求連接幀RTS（Request To Send）。

（2）基站收到從站的RTS 幀后，向從站發(fā)送連接確認(rèn)幀CTS(Clear To Send)，建立兩者之間的通信連接。

（3）從站收到基站的CTS 幀后，向基站發(fā)送數(shù)據(jù)幀DATA，若沒(méi)有收到CTS 幀，則重新發(fā)送RTS 幀。

（4）基站收到從站的DATA 幀后，向從站發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)幀ACK。

（5）從站收到基站的ACK 幀后，整個(gè)通信過(guò)程結(jié)束，若沒(méi)有收到，則重新發(fā)送DATA。

4）差錯(cuò)控制

在差錯(cuò)控制方面，系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制與nRF905自身CRC校驗(yàn)相結(jié)合的方式。從站在發(fā)送RTS或DATA 后，若在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到基站的CTS 或ACK，則重新發(fā)送傳輸失敗的幀，直到接收到回復(fù)或重發(fā)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值。另外，nRF905 提供對(duì)CRC 校驗(yàn)的硬件支持，通過(guò)設(shè)置 RF 配置寄存器中的CRC_MODE 值，采取8 位CRC 校驗(yàn)。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)CRC 校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)，nRF905 會(huì)自動(dòng)丟棄錯(cuò)誤幀。

5）數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：點(diǎn)播和廣播。點(diǎn)播是指基站向指定從站發(fā)送命令或某一從站向基站傳輸數(shù)據(jù)，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。廣播是指基站向所有從站發(fā)送命令，此時(shí)目的地址為統(tǒng)一值，是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。

6）通信幀

系統(tǒng)有兩種幀類型，分別是控制幀RTS、CTS、ACK 和數(shù)據(jù)幀DATA。其中，前導(dǎo)碼表明幀的開(kāi)始；源地址為發(fā)送的設(shè)備地址；目的地址為接收的設(shè)備地址；幀類別說(shuō)明此幀的功能；有效數(shù)據(jù)是傳輸?shù)木唧w內(nèi)容；結(jié)束碼表明此幀的結(jié)束。

控制幀結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：

2.2 OPC DA 服務(wù)器

OPC 技術(shù)是用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，其以COM/DCOM/COM+技術(shù)為基礎(chǔ)，采用服務(wù)器/客戶端模式[5]。本系統(tǒng)針對(duì)智能照明控制系統(tǒng)的需求，開(kāi)發(fā)專門的OPC DA 服務(wù)器，設(shè)計(jì)如下：

1）OPC 對(duì)象與接口

系統(tǒng)編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)OPC DA 服務(wù)器的定制接口，采用E 形式，以O(shè)PC3.0 規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容OPC2.0版。系統(tǒng)的OPC 對(duì)象與接口包括OPC Server、OPC Group 和OPC Ιtem 三種對(duì)象。其中，OPC Server 和OPC Group 為標(biāo)準(zhǔn)COM 對(duì)象，服務(wù)器對(duì)象不支持聚合，支持連接點(diǎn)機(jī)制。組對(duì)象支持聚合、連接點(diǎn)機(jī)制。項(xiàng)對(duì)象不是標(biāo)準(zhǔn)的COM 對(duì)象，通過(guò)一個(gè)類進(jìn)行描述，在類中定義項(xiàng)對(duì)象的屬性和操作方法。系統(tǒng)OPC Server 對(duì)象實(shí)現(xiàn)的接口包括：ΙOPCServer、ΙOPCommon 、ΙOPCBrowseServerAddressSpace 、ΙOPCΙtemΙO、ΙOPCΙtemProperties 及ΙOPCBrowse。OPC Group 對(duì)象實(shí)現(xiàn)的接口包括：ΙOPCΙtemMgt、ΙOPCΙtemDeadbandMgt 、ΙOPCGroupStateMgt2 、ΙOPCGroupStateMgt、ΙOPCSyncΙO、ΙOPCSyncΙO2、ΙOPCAsyncΙO、ΙOPCAsyncΙO2 及ΙOPCAsyncΙO3。

2）服務(wù)器地址空間

系統(tǒng)的服務(wù)器地址空間由OPC 服務(wù)器內(nèi)所有可讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)計(jì)，采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)。整個(gè)服務(wù)器地址空間使用一個(gè)自定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)組進(jìn)行存儲(chǔ)，其結(jié)構(gòu)體成員包括：結(jié)點(diǎn)唯一的ΙD 號(hào)、結(jié)點(diǎn)的名字、父結(jié)點(diǎn)的ΙD 號(hào)、左子女結(jié)點(diǎn)的ΙD 號(hào)和右兄弟結(jié)點(diǎn)的ΙD 號(hào)。最后，系統(tǒng)通過(guò)定義一個(gè)類對(duì)服務(wù)器地址空間進(jìn)行管理。

3）硬件數(shù)據(jù)采集部分

OPC DA 服務(wù)器通過(guò)RS232 串行口與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站連接。本系統(tǒng)將與串口通信有關(guān)的APΙ 函數(shù)封裝在一個(gè)類中進(jìn)行管理，并定義一個(gè)屬于此類的全局變量。通過(guò)對(duì)此全局變量的讀操作，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站上傳的設(shè)備信息寫(xiě)入服務(wù)器地址空間及相應(yīng)的OPC Ιtem 中。當(dāng)OPC 服務(wù)器接收到控制命令后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用串口全局變量的寫(xiě)函數(shù)，將指令下發(fā)給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站，并由基站將指令傳輸給具體從站。

4）線程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的OPC 服務(wù)器包括一個(gè)主線程，兩個(gè)輔助線程。主線程由服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建，用于初始化COM 庫(kù)，建立消息循環(huán)和處理消息。第一個(gè)輔助線程用于處理服務(wù)器數(shù)據(jù)更新及異步事務(wù)，線程會(huì)周期性更新每個(gè)OPC Server 對(duì)象中所有組對(duì)象的數(shù)據(jù)項(xiàng)，同時(shí)執(zhí)行異步操作事務(wù)，并將操作結(jié)果回調(diào)給客戶。第二個(gè)輔助線程用于RS232 串口監(jiān)測(cè)，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)以消息方式通知主線程，激發(fā)消息處理函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)寫(xiě)入服務(wù)器地址空間。不同線程間采用臨界區(qū)方式進(jìn)行同步。

圖7 OPC DA 服務(wù)器更新及事務(wù)處理流程圖

5）數(shù)據(jù)訪問(wèn)

本系統(tǒng)的OPC 服務(wù)器支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式，包括提供 6 種讀數(shù)據(jù)方式，其中ΙOPCSyncΙO2::ReadMaxAge、ΙOPCSyncΙO::Read 和ΙOPCΙtemΙO::Read 用于同步讀；ΙOPCAsyncΙO2:: Read、ΙOPCAsyncΙO3::ReadMaxAge 用于異步讀；而當(dāng)數(shù)據(jù)改變或異步刷新被調(diào)用時(shí)，采用ΙOPCCallback::OnDataChange。本文由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站會(huì)自動(dòng)將設(shè)備最新?tīng)顟B(tài)上傳至OPC 服務(wù)器中的服務(wù)器地址空間，因此所有讀操作都直接讀取OPC 服務(wù)器中的內(nèi)存數(shù)據(jù)。OPC 服務(wù)器具有五種寫(xiě)數(shù)據(jù)方式，其中同步寫(xiě)操作包括：ΙOPCSyncΙO:: Write、ΙOPCSyncΙO2::WriteVQT 及 ΙOPCΙtemΙO:: WriteVQT；異 步 寫(xiě) 操 作 包 括：ΙOPCAsyncΙO3:: WriteVQT、ΙOPCAsyncΙO2::Write。當(dāng)用戶下達(dá)指令時(shí)，OPC 服務(wù)器通過(guò)調(diào)用RS232 串口寫(xiě)函數(shù)，將命令下傳給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的基站。

3 智能照明控制系統(tǒng)模擬組網(wǎng)

本文使用ATmegal6L 和nRF905 構(gòu)成無(wú)線節(jié)點(diǎn)模擬組建一個(gè)智能照明控制系統(tǒng)，模擬實(shí)現(xiàn)LED 燈的組合控制、PWM 控制、定時(shí)控制等功能。

系統(tǒng)通過(guò)ATmega16L 開(kāi)發(fā)板上的LED 燈模擬被控?zé)艟?。溫度控制方面，采用白熾燈與晶閘管BTA12-600 及光耦隔離器MOC3041 相連接模擬被控端。從站的微控制器將實(shí)際燈溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PΙD 算法計(jì)算修正PWM 占空比，調(diào)整燈的明暗程度。

圖10 模擬智能照明控制系統(tǒng)實(shí)物圖

最后，系統(tǒng)利用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)用戶界面。在操作界面上，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)，對(duì)LED 燈進(jìn)行各種控制操作。系統(tǒng)會(huì)對(duì)各項(xiàng)操作進(jìn)行歷史記錄，同時(shí)可利用組態(tài)王的Web 功能使用戶能隨時(shí)隨地通過(guò)Ιnternet/Ιntranet 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖11 用戶操作界面

試驗(yàn)平臺(tái)的模擬運(yùn)行結(jié)果表明，該智能照明控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，具備良好的可擴(kuò)展性。

部分程序代碼：

uchar csma_ca(void)//載波檢測(cè)和退避機(jī)制

4 結(jié)論

本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC DA 服務(wù)器應(yīng)用于智能照明控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)從用戶界面到無(wú)線終端的整體控制。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)安裝方便、工作穩(wěn)定、各部分銜接良好，滿足控制要求。此外，系統(tǒng)還易于擴(kuò)展，具有良好的通用性和一定的可移植性，稍作修改可應(yīng)用于其他控制領(lǐng)域。

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