智能照明如今是半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，本文主要介紹無線家居LED光源智能控制系統(tǒng)的一些研究，將無線通信技術(shù)引入LED照明無線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LED智能照明，與業(yè)界探討。

       研究以LED光源為控制對(duì)象，使用恒流驅(qū)動(dòng)電源，JN516x微處理器通過相關(guān)模塊，采用PWM脈沖調(diào)光技術(shù)來進(jìn)行線性調(diào)光。運(yùn)用JenNet-IP無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，選用樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并使用JenNet-IP WPAN協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)JenNet-IP的無線組網(wǎng)。

       LED光源無線控制系統(tǒng)由無線網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)、LED燈及內(nèi)嵌的智能控制終端組成，具有網(wǎng)絡(luò)自組織能力。本文選用JenNet-IP無線通信技術(shù)，每一個(gè)光源為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在JenNet-IP節(jié)點(diǎn)上加裝傳感器，負(fù)責(zé)采集光源環(huán)境亮度信息以及光源的工作狀態(tài)。JenNet-IP節(jié)點(diǎn)之間通過2.4GHz天線通信，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口將收集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

一、JenNet-IP技術(shù)

       JenNet-IP是專為住宅，商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，適合低成本網(wǎng)絡(luò)的消費(fèi)者，如智能照明。JenNet-IP是一種基于IPv6 的低速無線個(gè)人局域網(wǎng)系統(tǒng)，其中棧的無線網(wǎng)絡(luò)層是恩智浦專有的JenNet協(xié)議即JenNet-IP WPAN棧，JenNet-IP還有一個(gè)額外的接口層稱為JIP(JenNet-IP)。允許用戶的應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行訪問。該協(xié)議具有相關(guān)的API 構(gòu)成函數(shù)(和相關(guān)的資源)，使訪問更加便捷：

       1.JIP嵌入式API：這是一個(gè)C API，可以用來開發(fā)應(yīng)用程序在WPAN域節(jié)點(diǎn)的JN51x設(shè)備上運(yùn)行。

       2.C JIP API和Java JIP API：用來開發(fā)應(yīng)用程序在LAN/WAN設(shè)備(如PC、平板電腦或手機(jī))上運(yùn)行。C JIP API也可用來開發(fā)Border-Router的LAN/WAN側(cè)的應(yīng)用程序，并且只能在基于Linux的平臺(tái)上使用。

       JenNet-IP具有高度可靠，易于擴(kuò)展; 實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)IP的物聯(lián)網(wǎng);具有可擴(kuò)展的應(yīng)用程序API，低內(nèi)存占用，小于128K字節(jié)等特點(diǎn)。

二、LED光源無線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

       圖1給出LED光源無線控制系統(tǒng)總體框圖，以JN516x處理器為核心，通過控制外圍設(shè)備完成系統(tǒng)功能。LED光源內(nèi)嵌的單燈控制器構(gòu)成各分布節(jié)點(diǎn);定時(shí)地將LED燈的工作狀態(tài)以無線數(shù)據(jù)包的形式通過2.4GHz天線發(fā)射，通過JenNet-IP網(wǎng)絡(luò)匯總到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)將匯總的數(shù)據(jù)通過RS-232串口傳送到主機(jī)處理器;經(jīng)過主機(jī)處理器的邏輯判斷與智能分析后，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光、分組群控、情景模式等復(fù)雜功能。

       圖1 LED光源無線控制系統(tǒng)總體框圖

       圖2 系統(tǒng)硬件框圖

       圖2 給出系統(tǒng)整體硬件框圖，包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘模塊、串口模塊、亮度檢測(cè)模塊等。其中，中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上具有串口模塊。

       微處理器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)LED智能照明系統(tǒng)的全自動(dòng)組網(wǎng)、邏輯判斷、智能分析、上位機(jī)通信等任務(wù)。RF無線射頻模塊負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。傳感器模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集照明現(xiàn)場(chǎng)的光照度、移動(dòng)目標(biāo)、LED狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)，分別轉(zhuǎn)發(fā)至微處理器MCU、主機(jī)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)顯示。RS232串口通信負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)處理器的數(shù)據(jù)通信。

       1.JN516x微處理器

       JN516x芯片是一個(gè)32位的RISC CPU，具有嵌入式閃存和帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)，允許軟件片上運(yùn)行，架構(gòu)了三個(gè)關(guān)鍵要求：低功耗電池供電、為復(fù)雜的無線協(xié)議提供高性能實(shí)現(xiàn)、高級(jí)語言的高效編碼(如C語言所提供的軟件開發(fā)工具包)。該JN516x采用統(tǒng)一的內(nèi)存架構(gòu)，程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備和I / O端口都在同一個(gè)線性地址空間內(nèi)。

       2.串口通信模塊

       RS232串口通信模塊是JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PC上位機(jī)之間雙向通信的橋梁，PC上位機(jī)通過RS232串口將LED控制命令實(shí)時(shí)發(fā)送至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，又借助RS232串口從協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)讀取無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集到的光照度、LED狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)顯示。

       JN516x有兩個(gè)通用異步接收器/發(fā)送器(UART)串行通信接口。接口輸入串行數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行串行到并行的轉(zhuǎn)換和從CPU輸出數(shù)據(jù)到外部設(shè)備時(shí)進(jìn)行串行到并行的轉(zhuǎn)換。具有可配置的FIFO緩沖器(具有16字節(jié)的默認(rèn)深度)允許CPU來讀取和寫入每個(gè)事務(wù)的多個(gè)字符。這意味著，CPU可以在逐字符的基礎(chǔ)上處理數(shù)據(jù)。

       3.無線收發(fā)模塊

       無線收發(fā)器包括2.45GHz的調(diào)制解調(diào)器、基帶處理器、安全協(xié)處理器和PHY控制器。通過一個(gè)協(xié)議棧庫(kù)，來實(shí)現(xiàn)以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無線收發(fā)器。

       JN516x器件提供一個(gè)天線分集裝置，允許2根天線連接到器件上。一旦當(dāng)前天線的發(fā)送或接收性能比較差時(shí)，就自動(dòng)切換到備用天線。2根天線通過一個(gè)2-state開關(guān)連接到JN516x器件，如圖3-6所示。在一個(gè)位置(例如，DIO12-13 = 10)，開關(guān)將JN516x器件的RF_IN引腳與一根天線相連;在另一個(gè)位置(例如，DIO12-13= 01)，開關(guān)將這個(gè)引腳與另一根天線相連。

       圖3 天線分集的連接

       4.傳感器采集模塊

       LED智能照明控制系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)中分布的大量傳感器模塊實(shí)時(shí)采集LED照明現(xiàn)場(chǎng)的光照度、LED狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)，并通過RF無線射頻模塊發(fā)送至無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，MCU微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、邏輯分析與智能判斷，實(shí)現(xiàn)LED的PWM線性無極智能調(diào)光、分組群控、情景模式等復(fù)雜功能，光照補(bǔ)償后保證照明現(xiàn)場(chǎng)的自然光照度基本不變，改善照明質(zhì)量。

       傳感器使用光敏電阻來采集自然光照度。在無光照射時(shí)，它呈高阻態(tài)，當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。采用光敏電阻作為模擬信號(hào)的輸入，通過ADC通道進(jìn)行單次采樣，連接一路AD，用來采樣環(huán)境亮度信息。光敏電阻的靈敏度即預(yù)設(shè)閥值由電位器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，滿足LED智能照明的多元化控制方式：

       1.光電開關(guān)控制：將模擬量光照度輸入至雙電壓比較器，當(dāng)自然光照度達(dá)不到光敏電阻的預(yù)設(shè)閾值時(shí)，輸出數(shù)字開關(guān)量0;當(dāng)自然光照度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí),，輸出數(shù)字開關(guān)量1。開關(guān)量0或1可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器的光電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)LED的光電開關(guān)控制。

       2.PWM脈沖控制：將模擬量光照度輸入至JN516x的I/O引腳，利用自帶的12位ADC精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光照度，被RF無線射頻模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，與光照度預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行逐一比對(duì)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)，配合PT4115恒流源驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)LED的各種控制功能，并保證現(xiàn)場(chǎng)照明度基本不變。

       5.PWM調(diào)光

       PT4115采用PWM調(diào)光措施，PT4115可以在DIM管腳加PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)光，DIM管腳電壓低于0.3V關(guān)斷LED電流，高于2.5V全部打開LED電流，PWM調(diào)光的頻率范圍從100Hz到20KHz以上。當(dāng)高電平在0.5V到2.5V之間，也可以調(diào)光。

       PWM調(diào)光措施相對(duì)于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。PWM調(diào)光的基本原理是保持 LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例 ，即控制每個(gè)周期電流導(dǎo)通的時(shí)間。PWM調(diào)光的優(yōu)勢(shì)是 LED正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ模琇ED的色度就不會(huì)像 模擬調(diào)光一樣會(huì)變化。PWM調(diào)光可以在精確控制LED的亮度的同時(shí)，也保證LED發(fā)光的色度。

三、系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)框架

       LED光源無線控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)JenNet-IP無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。LED光源無線控制系統(tǒng)的軟件總體框架如表1。

       1. JenNet-IP無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

       JenNet-IP無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制中心,主要負(fù)責(zé)選擇網(wǎng)絡(luò)要使用的無線通道、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、允許其他節(jié)點(diǎn)與它相連(即組成網(wǎng)絡(luò)),并與主機(jī)通過RS232串口進(jìn)行雙向通信,保證下位機(jī)的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳,和主機(jī)的控制命令及時(shí)下傳;路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)(路由);允許其他節(jié)點(diǎn)與它相連(即，組成網(wǎng)絡(luò)),可以作為遠(yuǎn)距離通信的信息數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站,實(shí)現(xiàn)JenNet-IP網(wǎng)絡(luò)的多跳路由數(shù)據(jù)通信;終端設(shè)備的大部分節(jié)點(diǎn)是LED燈具節(jié)點(diǎn),接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)、調(diào)光等照明控制命令,保證照明現(xiàn)場(chǎng)的光照度基本不變;另一部分節(jié)點(diǎn)作為傳感器釆集節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集照明現(xiàn)場(chǎng)的光照度、LED工作狀態(tài)等環(huán)境參數(shù),并將數(shù)據(jù)廣播至整個(gè)JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

       2.地址分配

       為了管理多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)工作在同一個(gè)空間或相鄰空間的情況，就要識(shí)別某一個(gè)特定的無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)必須能夠識(shí)別它所屬的網(wǎng)絡(luò)。在一個(gè)JenNet-IP系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中，使用PAN(個(gè)人局域網(wǎng))ID來識(shí)別。

       PAN ID是IEEE 802.15.4協(xié)議使用的一個(gè)16位值。軟件棧的較低層使用它來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，ID在工作環(huán)境中應(yīng)該是獨(dú)一無二的，也就是說，它不能和鄰近網(wǎng)絡(luò)的PAN ID相沖突。

       PAN ID可以在協(xié)調(diào)器的用戶應(yīng)用程序代碼中預(yù)先設(shè)置： 如果PAN ID預(yù)先設(shè)置成0FFFF，協(xié)調(diào)器將隨意選擇一個(gè)初始PAN ID，然后通過“監(jiān)聽”其他網(wǎng)絡(luò)的PAN ID 來驗(yàn)證它是否是唯一的(不斷選擇一個(gè)隨機(jī)PAN ID，直至找到一個(gè)不與其他網(wǎng)絡(luò)的PAN ID相沖突的值);如果PAN ID預(yù)先設(shè)置成任何其他的有效值，協(xié)調(diào)器就使用這個(gè)PAN ID(不管它是否與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的PAN ID沖突)。

       網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)地址，用于節(jié)點(diǎn)尋址。在一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中，通常使用的是設(shè)備的IEEE或MAC地址。這是一個(gè)IEEE 分配的64位的地址，唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備。在6LoWPAN系統(tǒng)中，一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用IPv6地址來識(shí)別，是一個(gè)128位的地址，前64位(位127-64)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，后64位(位63-0)識(shí)別設(shè)備。在JenNet-IP中，地址的第2部分(稱為主機(jī)接口ID)由設(shè)備的MAC地址提供，主機(jī)接口ID的位57位反相就形成了MAC地址。

       3.路由算法

       在無線網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常需要通過一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，然后到達(dá)最終的目的節(jié)點(diǎn)。傳遞一個(gè)消息(不處理消息的內(nèi)容)的過程稱為路由，可以執(zhí)行路由的節(jié)點(diǎn)是路由器和協(xié)調(diào)器。在JenNet-IP中，樹型路由只用于單播。對(duì)于一個(gè)廣播，源節(jié)點(diǎn)在無線電通信范圍內(nèi)發(fā)送消息給所有節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)接收路由器節(jié)點(diǎn)再次廣播消息(但只是首次接收到的消息)。到一組節(jié)點(diǎn)的多播處理成具有一個(gè)多播地址的廣播，多播地址與這個(gè)節(jié)點(diǎn)組相對(duì)應(yīng)。

       在樹型網(wǎng)絡(luò)中，傳輸時(shí)消息只能沿著樹向上傳遞到父節(jié)點(diǎn)或者沿著樹向下傳遞到一個(gè)子節(jié)點(diǎn)(消息從這兒傳遞)。消息在這些“跳躍(hop)”中沿著樹向上傳遞直至到達(dá)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的首個(gè)公共祖先，然后消息通過另一條支路沿著樹向下回傳直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。如果協(xié)調(diào)器是唯一的公共祖先，消息就只到達(dá)樹的頂部。為了路由，消息包含2個(gè)地址：目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址和“下一跳”節(jié)點(diǎn)的地址。后者在消息通過網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)由路由節(jié)點(diǎn)修改，變得與最后一跳的目標(biāo)地址相同。

       路由機(jī)制要求路由信息保存在路由器和協(xié)調(diào)器中。這個(gè)信息包括節(jié)點(diǎn)地址，存放在鄰居表和路由表的節(jié)點(diǎn)上。 鄰居表：包含所有的直接子節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)的父輩; 路由表：包含所有非直接子節(jié)點(diǎn)的孫節(jié)點(diǎn)(樹型中的低層)。 同時(shí)，這兩個(gè)表讓路由器了解到樹中所有的孫節(jié)點(diǎn)。由于協(xié)調(diào)器位于樹的根部，因此知道網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)表在網(wǎng)絡(luò)初始化和形成時(shí)就由棧自動(dòng)配置好。

       接收消息時(shí)，一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)完成路由算法過程如圖4所示：

       (1)路由器首先檢查最終目標(biāo)地址，確定消息是否傳遞給它自己，如果是，就處理消息的內(nèi)容。

       (2)如果不是上面的檢查結(jié)果，路由器就檢查自己的鄰居表，確定消息是否傳遞給它的其中一個(gè)直接子節(jié)點(diǎn)，如果是，就將消息傳遞給相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)。

       (3)如果前面的結(jié)果都不是，路由器就檢查自己的路由表，確定消息是否傳遞給它的一個(gè)其他孫子節(jié)點(diǎn)，如果是，就將消息傳遞給相應(yīng)的中間子節(jié)點(diǎn)(路由器)。

       (4)如果前面的結(jié)果都不是，路由器就將消息沿著樹向上傳遞給它的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步路由。至于協(xié)調(diào)器，除了消息不能進(jìn)一步沿著樹向上傳遞之外，路由機(jī)制與路由器完全類似。

       本文對(duì)基于JenNet-IP的 LED智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。LED光源內(nèi)嵌控制終端，電源采用恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，運(yùn)用PWM脈沖調(diào)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)PWM線性調(diào)光?？刂撇呗詣t運(yùn)用JenNet-IP無線技術(shù)，并結(jié)合樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的JenNet-IP WPAN協(xié)議棧，實(shí)時(shí)采集LED照明現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，通過JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行信息通信，并且實(shí)時(shí)采集LED光源的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過JN516x芯片的邏輯判斷和智能分析后，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光、分組群控、情景模式等功能。——本文節(jié)選自第6期《半導(dǎo)體照明》雜志)

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詳情查閱：2015年第6期(總第64期)