河北智能照明控制系统-福建照明管理系统-福州照明管理系统

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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。

图1 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。

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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。

1）冲突避免策略

CSMA/CA协议只能解决发送端的数据冲突问题，但接收端仍存在数据冲突的可能，即“隐藏节点”问题。因此系统引入RTS/CTS/DATA/ACK握手机制。具体过程如下：

⑴从站向基站发送前先通过竞争方式获得信道使用权，再向基站发送请求连接帧RTS(Request To Send)。

⑵基站收到从站的RTS帧后，向从站发送连接确认帧CTS(Clear To Send)，建立两者之间的通信连接。

⑶从站收到基站的CTS帧后，向基站发送数据帧DATA，若没有收到CTS帧，则重新发送RTS帧。

⑷基站收到从站的DATA帧后，向从站发送数据确认帧ACK。

⑸从站收到基站的ACK帧后，整个通信过程结束，若没有收到,则重新发送DATA。

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