宁夏智能照明模块-福建定制化照明方案-福州定制化照明方案

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1 系统方案概述

本文的智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC服务器和用户界面三部分组成。

底层的无线网络采用星型结构，包括一个基站和多个。其中，从站与被控LED灯连接并将灯的状态信息传送给基站。基站通过RS232与PC机相连，将接受的控制命令下达给从站。系统使用ATmega16L单片机和nRF905无线射频模块构成工作于433MHz的无线网络节点，两者通过SPI串行口相连。

节点结构

上位机中具有专门开发的OPC DA服务器。OPC 服务器与组态软件中开发的用户界面之间采用OPC技术通信，与无线网络中的基站之间采用RS232串行通信。OPC服务器负责将用户下达的控制命令传送给无线网络中的基站，并将基站传输的设备状态上传至用户界面显示。

在组态软件中开发的用户界面能实时准确的显示设备状态，并可实现对LED灯的组合控制、温度控制、PWM控制、定时控制及操作记录等功能。

2 系统软件设计

2.1 无线传感器网络设计

无线传感器网络是由一些低功耗、低成本、体积小的传感器节点，以无线通讯方式组成的网络，融合传感器技术、信息处理技术、嵌入式技术和网络通信技术，实现信息的采集、处理、传输及应用，具有施工成本低、系统扩展性好、运行维护易等优点。本系统的无线网络结构设计如下：

1）网络拓扑

系统无线网络采用星型结构，有基站和从站两类节点。基站与各从站间进行双向通信，从站互不通信。网络中的每个节点都配有ID地址，有接收、发送两种状态，默认处于接收状态。

2）MAC层协议

为避免多个从站同时向基站发送信息导致信道冲突，且照明系统对控制时延性要求不高，所以网络MAC层采用非坚持CSMA/CA协议。通信前，节点先利用nRF905的载波检测引脚CD信道是否空闲，若空气中有同频信号则CD自动置高。若信道忙碌则节点随机延迟一段时间后再重新。

信道空闲时，节点并不立即发送，而是采取的退避机制，将信道冲突的概率降至小。因为当某从站与基站通信完毕的瞬间，可能有多个要发送数据的从站同时到信道空闲，此时信道冲突的可能性大，所以节点随机退避一段时间后再进行发送。

这里采用二进制指数退避算法BEB，设争用期（即节点发出数据至接收到信道冲突的时间）为2t，各站重传次数为N,从整数集合0,1,…,(2N-1)中随机取数，记为R。节点重传产生的时延D为2t的R倍，即D=R×2t。

站点在发送前若检测到信道空闲，就立即启动退避计数器，只要信道空闲，退避计数器就递减，若退避过程中检测到信道被占用则暂停退避计数器并保持计数器值不变，当信道重新空闲时在原有计数值基础上再次启动退避计数器，当计数值减到零时节点发送数据。

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3）硬件数据采集部分

OPC DA服务器通过RS232串行口与无线网络中的基站连接。本系统将与串口通信有关的API函数封装在一个类中进行管理，并定义一个属于此类的全局变量。通过对此全局变量的读操作，将无线网络基站上传的设备信息写入服务器地址空间及相应的OPC Item中。当OPC服务器接收到控制命令后，会自动调用串口全局变量的写函数，将指令下发给无线网络中的基站，并由基站将指令传输给具体从站。

4）线程设计

图7 OPC DA服务器更新及事务处理流程图

系统的OPC服务器包括一个主线程，两个辅助线程。主线程由服务器启动时自动创建，用于初始化COM库，建立消息循环和处理消息。第一个辅助线程用于处理服务器数据更新及异步事务，线程会周期性更新每个OPC Server对象中所有组对象的数据项，同时执行异步操作事务，并将操作结果回调给客户。

第二个辅助线程用于RS232串口监测，当串口接收到数据后，会以消息方式通知主线程，激发消息处理函数对数据进行处理，后将处理好的数据写入服务器地址空间。不同线程间采用临界区方式进行同步。

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3 智能照明控制系统模拟组网

本文使用ATmegal6L和nRF905构成无线节点模拟组建一个智能照明控制系统，模拟实现LED灯的组合控制、PWM控制、定时控制等功能。

图10 模拟智能照明控制系统实物图

系统通过ATmega16L开发板上的LED灯模拟被控灯具。温度控制方面，采用白炽灯与晶闸管BTA12-600及光耦隔离器MOC3041相连接模拟被控端。从站的微控制器将实际灯温度值与设定值进行比较，通过PID算法计算修正PWM占空比，调整灯的明暗程度。

后，系统利用组态王软件开发用户界面。在操作界面上，可实时显示设备状态，对LED灯进行各种控制操作。系统会对各项操作进行历史记录，同时可利用组态王的Web功能使用户能随时随地通过Internet/Intranet实现设备的远程监控。

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