智能照明控制系统的控制方法

0 引言

在日益严重的环境污染和能源匮乏的背景下，led 照明设备因其发光效率高、使用寿命长而得到广泛应用。作为未来照明的主题，LED 照明系统正朝着智能化的方向发展。传感、通信和控制技术的结合LED 个性化、舒适、二次节能照明。智能照明控制系统的基本功能包括：LED 设备亮度控制，LED采集驱动器的电流、电压、功率因数等物理参数，检测设备的工作状态。智能照明控制系统的控制方法可分为有线和无线。常见的有线控制方法包括DALI、PLC 和RS485等，无线控制主要采用433MHz 和Zigbee 网络传输信号。

ANT 由于无线自组网协议Dynastream、Nordic 等公司推出2.4GHz 与蓝牙和蓝牙相比，短距离无线网络标准Zigbee 无线通信技术具有功耗低、系统成本低、开发应用周期短等优点，是一种竞争力强的短距离无线通信技术。

1 系统架构

如1 控制系统由服务器软件、集中管理器和终端控制器组成。通过以太网、GPRS 或3G 与集中管理器交换数据。用户可以使用安装在服务器上的管理软件来检查照明设备的实时电气参数和工作状态，并配置照明控制策略。集中管理器用于实现服务器和终端控制器的双向通信中继。一方面，它接收服务器指令并发送给控制器进行照明控制，另一方面查询控制器状态和电参数并上传给服务器。集中管理器和终端控制器之间采用ANT 无线网络通信。最底层的终端控制器和LED 驱动器连接，监控LED 照明设备的工作状态和相关电参数的收集，并根据指令进行调整LED 光源亮度等级。

2 硬件设计

集中管理器和终端控制器的电路原理框如2 所示。集中管理器主要负责通信中继，其处理器选择TI 公司的16 超低功耗单片机MSP430F5418A，外设功能丰富，集成UART，SPI，I2C 等接口便于与外部系统连接，以满足系统对通信模块的扩展需求。终端控制器控制输入驱动器的调光电压或PWM 变化占空比LED 的亮度，通过采集LED 判断驱动器的反馈电压LED 其处理器选择了驱动器是否正常运行Freescale 公司的8 位单片机MC9S08SG8，其主要特点是具有4 路PWM 8路输出ADC，非常适合灯控系统。

ANT 采用了网络芯片Nordic 公司推出的第二代单片ANT 解决方案产品nRF24AP2.它提供同步/ 本设计采用单片机和异步串行接口nRF24AP2 芯片通过异步串口通信。ANT 协议栈预先封装nRF24AP2 因此，单片机只需按规定的格式方向nRF24AP2发送命令数据帧，实现网络和通信。ANT 串行数据帧以同步码和验证码开始，采用低位前导的方式传输字节。数据帧依次由以下内容组成：

(1)同步码(1) 字节：处理器发送给处理器ANT 芯片数据为0xA和ANT 芯片向处理器发送的数据是0xA4 开始；

（2）帧长（1 字节):用户数据长度最多不超过9 个字节；

(3)帧类型(1 字节)数据帧类型，有效值为1~255 ;

（4）数据（N 字节：用户定义的通信数据；

(5)校验码(1 字节):等于之前所有字节的异或值。

3 软件设计

ANT 该网络提供点对点、星形、树形甚至网络拓扑，可以满足不同照明环境的需要。链网络配置的目标是路灯应用程序。在链网络中，集中管理器发布的命令和终端控制器回复的数据需要通过多跳转发传输到目标地址。

ANT 网络管理和通信是基于通道的。ANT 设备数据交换的通信路径，每个通道由1 个主机和1 多个从机组成。

匹配通道参数ANT 设备可以相互通信。作为命令的主动发送者，管理器是链网络的源设备，配置为通道的主机。终端控制器(位于链路末端除外)需要通信中继，因此它同时工作在2 在接收命令的通道上作为从机，在发送命令的通道上作为主机。

通道参数包括通道类型ID、工作频率、通道周期和网络类型。按以下流程顺序进行通道配置：

(1)配置网络类型:使用公共网络和公共网络密钥；

(2)分配通道:指定主机采用共享双向发送通道，从机采用共享双向接收通道；

(3)配置通道ID ：主机的传输类型、设备类型和设备号分别为3、4 工作在某个通道的从机设置与其所在通道的主机相同；

(4)配置通道周期、无线通信频率和发射功率:分别设置为2秒和2466MHz 和0dBm ;

(5)打开通道。

集中管理器的功能包括通信中继和定期查询控制器状态。上电后，集中管理器首先初始化单片机：配置时钟、异步串口波特率等，并中断串口和定时器。初始化完成后，集中管理器nRF24AP2 操作完成上电复位、通道配置等操作，然后进入低功耗状态。接收服务器命令和控制器响应将触发单片机进入不同的串口中断处理程序。接收服务器命令时，集中管理器首先分析命令帧，并在获得目标控制器地址后向其发送命令。当命令的对象是单个控制器时，集中管理器在发送命令后等待控制器的响应。如果在规定的时间内收到目标控制器回复的数据，集中管理器将保存数据并更新其无线通信状态信息；否则，集中管理器将重新发送命令帧，直到接收到控制器的响应或重新发送。如果命令的对象是一组控制器，集中管理器将在发送命令后等待一段时间，并发送查询命令，以确认目标控制器是否已按命令执行。此外，集中管理器还定期检查所有照明设备的工作状态和电气参数。

完成单片机初始化和对路由终端控制器nRF24AP2 配置后进入低功耗状态。由于它们同时在两个通道上工作，它们将从2中接收 通道数据。通道主机发送的命令有多种类型，可能是调光或查询状态，命令的目标地址可能是单个或多个。路由终端控制器将对不同类型的数据进行不同的处理。当收到单播命令时，控制器首先判断命令的目标地址，如果发送给自己，回复数据，并根据命令中的调光等级进行调整PWM 空比，最终退出中断，回到低功耗状态；如果不是发送给自己的，响应后继续将命令转发到另一个通道。同样，如果接收到从机发送的数据，路由终端控制器将首先查看目标地址，如果通过上行通道发送给管理器，如果是对自己命令的回应，则返回退出中断。另一方面，如果路由终端控制器收到的命令是多种广播类型，它首先判断它是否包含在目标地址集合中。如果没有，它只响应主机并转发数据。否则，路由终端控制器将等待一段时间。当收到终端控制器对集中管理器查询命令的回复数据时，将本地数据包装并发送给通道主机。这样做的优点是多个控制器可以使用相同的1 通信包将数据回复给集中管理器，避免无线通信冲突和拥塞，而不是一一回复。

此外，终端控制器还将定期检查驱动器的工作电压是否正常，并收集相关电气参数。

终端控制器的功能相对简单。除了定期检查驱动器的工作电压是否正常，并收集相关电气参数外，只需在收到发布的命令后响应并按命令操作即可。

4 总结

智能照明是LED照明控制系统的未来发展方向。本文基于ANT 无线网络通信技术LED 照明控制系统及其软硬件的设计。该系统不需要布线，安装方便，运行可靠，可以提高照明控制系统的智能水平，有效保证照明设备的正常运行。