智能照明控制在我國存在極大發(fā)展?jié)摿爸匾F(xiàn)實意義。本文將無線傳感器網絡、OPC通信與照明控制技術相結合，設計一套智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)燈具自動控制，提高系統(tǒng)管理水平。

1 系統(tǒng)方案概述

本文的智能照明控制系統(tǒng)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從站。其中，從站與被控LED燈連接并將燈的狀態(tài)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(tǒng)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(jié)點，兩者通過SPI串行口相連。

圖1 節(jié)點結構

上位機中具有專門開發(fā)的OPC DA服務器。OPC 服務器與組態(tài)軟件中開發(fā)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?shù)脑O備狀態(tài)上傳至用戶界面顯示。

在組態(tài)軟件中開發(fā)的用戶界面能實時準確的顯示設備狀態(tài)，并可實現(xiàn)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。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)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(jié)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(xiàn)信息的采集、處理、傳輸及應用，具有施工成本低、系統(tǒng)擴展性好、運行維護易等優(yōu)點。本系統(tǒng)的無線網絡結構設計如下：

1）網絡拓撲

系統(tǒng)無線網絡采用星型結構，有基站和從站兩類節(jié)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(jié)點都配有ID地址，有接收、發(fā)送兩種狀態(tài)，默認處于接收狀態(tài)。

2）MAC層協(xié)議

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

信道空閑時，節(jié)點并不立即發(fā)送，而是采取一定的退避機制，將信道沖突的概率降至最小。因為當某從站與基站通信完畢的瞬間，可能有多個要發(fā)送數(shù)據(jù)的從站同時監(jiān)聽到信道空閑，此時信道沖突的可能性最大，所以節(jié)點隨機退避一段時間后再進行發(fā)送。

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

站點在發(fā)送前若檢測到信道空閑，就立即啟動退避計數(shù)器，只要信道空閑，退避計數(shù)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(shù)器并保持計數(shù)器值不變，當信道重新空閑時在原有計數(shù)值基礎上再次啟動退避計數(shù)器，當計數(shù)值減到零時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 非堅持CSMA/CA流程圖

3）沖突避免策略

CSMA/CA協(xié)議只能解決發(fā)送端的數(shù)據(jù)沖突問題，但接收端仍存在數(shù)據(jù)沖突的可能，即“隱藏節(jié)點”問題。因此系統(tǒng)引入RTS/CTS/DATA/ACK握手機制。具體過程如下：

⑴從站向基站發(fā)送前先通過競爭方式獲得信道使用權，再向基站發(fā)送請求連接幀RTS(Request To Send)。

⑵基站收到從站的RTS幀后，向從站發(fā)送連接確認幀CTS(Clear To Send)，建立兩者之間的通信連接。

⑶從站收到基站的CTS幀后，向基站發(fā)送數(shù)據(jù)幀DATA，若沒有收到CTS幀，則重新發(fā)送RTS幀。

⑷基站收到從站的DATA幀后，向從站發(fā)送數(shù)據(jù)確認幀ACK。

⑸從站收到基站的ACK幀后，整個通信過程結束，若沒有收到,則重新發(fā)送DATA。

圖4 從站流程圖

圖5 基站流程圖

4）差錯控制

在差錯控制方面，系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)重發(fā)機制與nRF905自身CRC校驗相結合的方式。從站在發(fā)送RTS或DATA后，若在一定時間內沒有收到基站的CTS或ACK，則重新發(fā)送傳輸失敗的幀，直到接收到回復或重發(fā)次數(shù)達到設定值。

另外，nRF905提供對CRC校驗的硬件支持，通過設置RF配置寄存器中的CRC_MODE值，采取8位CRC校驗。當接收的數(shù)據(jù)CRC校驗出錯時，nRF905會自動丟棄錯誤幀。

5）數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：點播和廣播。點播是指基站向指定從站發(fā)送命令或某一從站向基站傳輸數(shù)據(jù)，是點對點通信。廣播是指基站向所有從站發(fā)送命令，此時目的地址為統(tǒng)一值，是點對多點通信。

6）通信幀

系統(tǒng)有兩種幀類型，分別是控制幀RTS、CTS、ACK和數(shù)據(jù)幀DATA。其中，前導碼表明幀的開始；源地址為發(fā)送的設備地址；目的地址為接收的設備地址；幀類別說明此幀的功能；有效數(shù)據(jù)是傳輸?shù)木唧w內容；結束碼表明此幀的結束。

2.2 OPC DA服務器

OPC技術是用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術，其以COM/DCOM/COM+技術為基礎，采用服務器/客戶端模式。本系統(tǒng)針對智能照明控制系統(tǒng)的需求，開發(fā)專門的OPC DA服務器，設計如下

圖6 OPC DA服務器結構圖

1）OPC對象與接口

系統(tǒng)編寫實現(xiàn)OPC DA服務器的定制接口，采用E形式，以OPC3.0規(guī)范為標準，向下兼容OPC2.0版。系統(tǒng)的OPC對象與接口包括OPC Server、OPC Group和OPC Item三種對象。

其中，OPC Server和OPC Group為標準COM對象，服務器對象不支持聚合，支持連接點機制。組對象支持聚合、連接點機制。項對象不是標準的COM對象，通過一個類進行描述，在類中定義項對象的屬性和操作方法。

系統(tǒng)OPC Server對象實現(xiàn)的接口包括：IOPCServer、IOPCommon、
IOPCBrowseServerAddressSpace、IOPCItemIO 、IOPCItemProperties及IOPCBrowse。OPC Group對象實現(xiàn)的接口包括：IOPCItemMgt、IOPCItemDeadbandMgt、IOPCGroupStateMgt2、IOPCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO、 IOPCSyncIO2、IOPCAsyncIO、 IOPCAsyncIO2及IOPCAsyncIO3。

2）服務器地址空間

系統(tǒng)的服務器地址空間由OPC服務器內所有可讀寫的數(shù)據(jù)項組成，根據(jù)實際情況預先設計，采用樹型結構。整個服務器地址空間使用一個自定義的結構體數(shù)組進行存儲，其結構體成員包括：結點唯一的ID號、結點的名字、父結點的ID號、左子女結點的ID號和右兄弟結點的ID號。最后，系統(tǒng)通過定義一個類對服務器地址空間進行管理。

3）硬件數(shù)據(jù)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(tǒng)將與串口通信有關的API函數(shù)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(shù)，將指令下發(fā)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(tǒng)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(chuàng)建，用于初始化COM庫，建立消息循環(huán)和處理消息。第一個輔助線程用于處理服務器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)項，同時執(zhí)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(jiān)測，當串口接收到數(shù)據(jù)后，會以消息方式通知主線程，激發(fā)消息處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)寫入服務器地址空間。不同線程間采用臨界區(qū)方式進行同步。

5）數(shù)據(jù)訪問

本系統(tǒng)的OPC服務器支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)訪問方式，包括提供六種讀數(shù)據(jù)方式，其中IOPCSyncIO2::ReadMaxAge、IOPCSyncIO::Read和IOPCItemIO::Read用于同步讀；IOPCAsyncIO2::Read、IOPCAsyncIO3::ReadMaxAge用于異步讀；而當數(shù)據(jù)改變或異步刷新被調用時，采用
IOPCCallback::OnDataChange。

本文由于無線網絡中的基站會自動將設備最新狀態(tài)上傳至OPC服務器中的服務器地址空間，因此所有讀操作都直接讀取OPC服務器中的內存數(shù)據(jù)。OPC服務器具有五種寫數(shù)據(jù)方式，其中同步寫操作包括：IOPCSyncIO::Write、IOPCSyncIO2::WriteVQT及IOPCItemIO::WriteVQT；異步寫操作包括：IOPCAsyncIO3::WriteVQT、IOPCAsyncIO2::Write。當用戶下達指令時，OPC服務器通過調用RS232串口寫函數(shù)，將命令下傳給無線網絡中的基站。

圖8 異步讀數(shù)據(jù)流程圖

圖9 同步寫數(shù)據(jù)流程

3 智能照明控制系統(tǒng)模擬組網

本文使用ATmegal6L和nRF905構成無線節(jié)點模擬組建一個智能照明控制系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)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(tǒng)實物圖

系統(tǒng)通過ATmega16L開發(fā)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。

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

圖11 用戶操作界面

試驗平臺的模擬運行結果表明，該智能照明控制系統(tǒng)滿足設計要求，具備良好的可擴展性。

部分程序代碼：

uchar csma_ca(void)//載波檢測和退避機制

{

uint s=1;

uchar i=0;

uchar ran=0;

uchar j=0;

for(j=0;j<8;j++)//重傳次數(shù)設置為9次

{

if((PIND&RF_CD)==0)//載波檢測

{

srand(t);//隨機取值R

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30; // D=R×2t

delay_ms(ran);

}

else

{

s=s<<1;//二進制指數(shù)退避

srand(t);

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30;

delay_ms(ran);

}

s=s<<1;

if((PIND&RF_CD)==0)

break;

}

if(j<9)

i=1;//CSMA/CA成功

else

i=0; //CSMA/CA失敗

return i;

}

4 結論

本文將無線傳感器網絡、OPC DA服務器應用于智能照明控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)從用戶界面到無線終端的整體控制。經驗證，系統(tǒng)安裝方便、工作穩(wěn)定、各部分銜接良好，滿足控制要求。此外，系統(tǒng)還易于擴展，具有良好的通用性和一定的可移植性，稍作修改可應用于其他控制領域。

本文編自《電氣技術》，原文標題為“基于無線傳感器網絡的智能照明控制系統(tǒng)”，作者為劉璐、周靖林。