寧夏智能照明模塊-福建定制化照明方案-福州定制化照明方案

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1 系統方案概述

本文的智能照明控制系統由無線傳感器網絡、OPC服務器和用戶界面三部分組成。

底層的無線網絡采用星型結構，包括一個基站和多個。其中，從站與被控LED燈連接并將燈的狀態信息傳送給基站。基站通過RS232與PC機相連，將接受的控制命令下達給從站。系統使用ATmega16L單片機和nRF905無線射頻模塊構成工作于433MHz的無線網絡節點，兩者通過SPI串行口相連。

節點結構

上位機中具有專門開發的OPC DA服務器。OPC 服務器與組態軟件中開發的用戶界面之間采用OPC技術通信，與無線網絡中的基站之間采用RS232串行通信。OPC服務器負責將用戶下達的控制命令傳送給無線網絡中的基站，并將基站傳輸的設備狀態上傳至用戶界面顯示。

在組態軟件中開發的用戶界面能實時準確的顯示設備狀態，并可實現對LED燈的組合控制、溫度控制、PWM控制、定時控制及操作記錄等功能。

2 系統軟件設計

2.1 無線傳感器網絡設計

無線傳感器網絡是由一些低功耗、低成本、體積小的傳感器節點，以無線通訊方式組成的網絡，融合傳感器技術、信息處理技術、嵌入式技術和網絡通信技術，實現信息的采集、處理、傳輸及應用，具有施工成本低、系統擴展性好、運行維護易等優點。本系統的無線網絡結構設計如下：

1）網絡拓撲

系統無線網絡采用星型結構，有基站和從站兩類節點。基站與各從站間進行雙向通信，從站互不通信。網絡中的每個節點都配有ID地址，有接收、發送兩種狀態，默認處于接收狀態。

2）MAC層協議

為避免多個從站同時向基站發送信息導致信道沖突，且照明系統對控制時延性要求不高，所以網絡MAC層采用非堅持CSMA/CA協議。通信前，節點先利用nRF905的載波檢測引腳CD信道是否空閑，若空氣中有同頻信號則CD自動置高。若信道忙碌則節點隨機延遲一段時間后再重新。

信道空閑時，節點并不立即發送，而是采取的退避機制，將信道沖突的概率降至小。因為當某從站與基站通信完畢的瞬間，可能有多個要發送數據的從站同時到信道空閑，此時信道沖突的可能性大，所以節點隨機退避一段時間后再進行發送。

這里采用二進制指數退避算法BEB，設爭用期（即節點發出數據至接收到信道沖突的時間）為2t，各站重傳次數為N,從整數集合0,1,…,(2N-1)中隨機取數，記為R。節點重傳產生的時延D為2t的R倍，即D=R×2t。

站點在發送前若檢測到信道空閑，就立即啟動退避計數器，只要信道空閑，退避計數器就遞減，若退避過程中檢測到信道被占用則暫停退避計數器并保持計數器值不變，當信道重新空閑時在原有計數值基礎上再次啟動退避計數器，當計數值減到零時節點發送數據。

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3）硬件數據采集部分

OPC DA服務器通過RS232串行口與無線網絡中的基站連接。本系統將與串口通信有關的API函數封裝在一個類中進行管理，并定義一個屬于此類的全局變量。通過對此全局變量的讀操作，將無線網絡基站上傳的設備信息寫入服務器地址空間及相應的OPC Item中。當OPC服務器接收到控制命令后，會自動調用串口全局變量的寫函數，將指令下發給無線網絡中的基站，并由基站將指令傳輸給具體從站。

4）線程設計

圖7 OPC DA服務器更新及事務處理流程圖

系統的OPC服務器包括一個主線程，兩個輔助線程。主線程由服務器啟動時自動創建，用于初始化COM庫，建立消息循環和處理消息。第一個輔助線程用于處理服務器數據更新及異步事務，線程會周期性更新每個OPC Server對象中所有組對象的數據項，同時執行異步操作事務，并將操作結果回調給客戶。

第二個輔助線程用于RS232串口監測，當串口接收到數據后，會以消息方式通知主線程，激發消息處理函數對數據進行處理，后將處理好的數據寫入服務器地址空間。不同線程間采用臨界區方式進行同步。

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3 智能照明控制系統模擬組網

本文使用ATmegal6L和nRF905構成無線節點模擬組建一個智能照明控制系統，模擬實現LED燈的組合控制、PWM控制、定時控制等功能。

圖10 模擬智能照明控制系統實物圖

系統通過ATmega16L開發板上的LED燈模擬被控燈具。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際燈溫度值與設定值進行比較，通過PID算法計算修正PWM占空比，調整燈的明暗程度。

后，系統利用組態王軟件開發用戶界面。在操作界面上，可實時顯示設備狀態，對LED燈進行各種控制操作。系統會對各項操作進行歷史記錄，同時可利用組態王的Web功能使用戶能隨時隨地通過Internet/Intranet實現設備的遠程監控。

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