鄭君剛　馬斌李　李　沨　煥忠

摘要：針對小區(qū)照明的特點，設計了以無線通信芯片nRF905作為傳輸介質的智能照明控制系統(tǒng)。本文重點介紹控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設計。實驗證明該系統(tǒng)具有可靠性高和實用性強等特點

關鍵詞：照明；nRF905；智能節(jié)點；智能小區(qū)

隨著照明系統(tǒng)應用場合的不斷變化，應用情況復雜和多樣化，僅靠簡單的開關已不能完成所需要的控制，所以要求照明控制也應隨之智能化，以滿足實際應用的需要。目前智能照明控制系統(tǒng)采用的是有線的控制方式，該方式需要復雜的綜合布線施工，更改節(jié)點或是增加節(jié)點很不方便，阻礙了智能照明的廣泛應用。本文針對小區(qū)照明的特點，設計基于nRF905智能照明無線控制系統(tǒng)。

智能照明控制系統(tǒng)

小區(qū)的智能照明控制系統(tǒng)主要由控制中心和智能節(jié)點組成。在本文中智能照明控制系統(tǒng)采用了星型拓撲結構，由一個與計算機相連的無線通信模塊作為系統(tǒng)的控制中心，可以跟控制系統(tǒng)中的任何一個智能節(jié)點通信，負責系統(tǒng)數據的接收與管理、控制命令的發(fā)送、系統(tǒng)工作過程的實時顯示等。智能節(jié)點按照小區(qū)的規(guī)則分布在小區(qū)的各個部分，負責照明的控制，并且對控制中心發(fā)來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。智能節(jié)點也可以脫離控制中心，直接進行現(xiàn)場手動控制。建立一個無線網絡的前提和基礎是選擇一個合理的網絡拓撲，網絡拓撲的結構可以決定網絡的成本、速度、特點和實現(xiàn)的功能。該控制系統(tǒng)采用的星型拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加系統(tǒng)中節(jié)點，滿足小區(qū)在以后增減節(jié)點的需要、而且成本低。實踐證明，星形網絡結構簡單，實用可靠。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設計

·主要元件

從成本和難易程度考慮，系統(tǒng)微處理器采用Atmel公司的AT89C52單片機為微控制器。AT89C52具有8k字節(jié)的閃爍可編程及可擦除只讀存儲器，256字節(jié)的RAM，4個并行口，3個16位定時器計數器，兩種優(yōu)先級的6個中斷源，一個全雙工串行口，片內振蕩器與時鐘電路。

nRF905是Nordic公司的單片射頻收發(fā)器，由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加濾波器，采用CRC校驗(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，其功耗低。11RF90S傳輸速率為100kbit/s，在微波爐、手機信號等干擾情況下，傳輸速率會有所下降。nRF905在空曠地傳輸距離為S00m，有墻體建筑物等障礙時，其傳輸距離有所減小；在1～2棟建筑物阻隔的情況下、其傳輸距離不少于100m。nRF90S采用CRC校驗，有良好的抗干擾性；密鑰管理和跳頻技術使其具有很好安全性。nRF905芯片傳輸距離、穿透能力、抗干擾性和安全性等都適合于小區(qū)無線數據傳輸。

·智能節(jié)點

智能節(jié)點可以通過無線的方式實現(xiàn)對小區(qū)各部分照明的控制、預設照明開關存儲等功能、也可以直接通過節(jié)點上的按鍵來控制燈的開啟和使其進入某種預設的工作方式。智能節(jié)點主要由微處理器、無線芯片nRF90S、電源模塊、傳感器和執(zhí)行器等組成，其結構框圖如圖2所示。

智能節(jié)點的電源來自220V電壓，需要電源轉換電路。為保證系統(tǒng)判斷傳感器輸入信號的穩(wěn)定性，電源轉換電路采用如下設計：選用專為通信控制芯片提供轉換電壓的LM1117為轉換芯片，它具有功耗低，體積小等優(yōu)點。同時在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個不同容值的電容所構成的濾波電路來抑制各種高頻信號，使智能節(jié)點能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源，保證其可靠運行。nRF905射頻部分的電路設計也是智能節(jié)點設計的重點與難點，而抗干擾設計直接關系到射頻性能和整個智能節(jié)點的運轉情況。在nRF90S射頻部分布線時，合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時需要注意以下幾點：一是射頻部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的：nKF90S芯片底部應接地；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將nRF905芯片底部和地層相連：盡可能地減少串擾，減少分布參數的影響，器件要緊密地分布在nRF905的四周，并使用較小封裝。

智能節(jié)點的執(zhí)行器部分控制輸出采用繼電器控制，為了防止干擾，采用光電隔離器將輸入與輸出相互隔離，也將輸入和輸出端與AT89C52隔開。智能節(jié)點的微處理器單片機通過光電隔離器和繼電器控制輸出動作。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計分為智能節(jié)點軟件和控制中心系統(tǒng)軟件兩部分。

在智能節(jié)點的軟件設計中，采用模塊化的設計方法，將節(jié)點的各種功能劃分為對應某一具體任務的子程序(如數據采集子程序、無線通信程序、看門狗子程序等)，并給每個任務定義任務優(yōu)先級、執(zhí)行頻率和標識符。采用非搶占優(yōu)先級方式來設計，用定時器溢出中斷來調用任務。

無線通信程序設計：當微控制器有數據要發(fā)送時，通過SPI接口按時序把接收的地址和要發(fā)送的數據送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定。激發(fā)nRF90S的發(fā)送模式后，射頻寄存器自動開啟，數據打包(加字頭和CRC校驗碼)，發(fā)送數據包。當數據發(fā)送完成，數據準備好引腳被置高，告知單片機nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。當微控制器有數據要接收時，nKF905進入接收模式。延時500μs后，nRF90S不斷監(jiān)測，等待接收數據。當nRF90S檢測到同一頻段的載波且地址和冗余校驗正確后，nKF90S自動移去字頭、地址和CRC校驗位，nRF90S進入空閑模式。微控制器通過SPI口以一定的速率把數據移到微控制器內，直到所有的數據接收完畢，完成數據接收全過程。接收數據為中斷方式而發(fā)射數據查詢方式。同時，為解決數據傳輸的同步問題，應在發(fā)送有效的地址數據前加入六至八個同步校驗碼，如0CCH(通過協(xié)議事先定義)，在地址數據后再加入所需傳輸數據與數據校驗碼，完成對整個數據段的打包過程。其數據打包順序為OCCH(同步校驗碼)，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，OCCH，addr1(照明區(qū)域地址數據)，addr2(照明燈具地址數據)，num1(傳輸有效數據1)，nurm2，…numN，checksun結束。

對于控制中心系統(tǒng)程序，其核心是人機交互與無線控制。上位機軟件采用VB面向對象的軟件開發(fā)工具編寫，包括系統(tǒng)監(jiān)控、通信管理、數據處理、控制命令、動態(tài)顯示等模塊，具有界面友好、顯示直觀、操作方便等優(yōu)點。系統(tǒng)運行時，各智能節(jié)點的位置以圖形方式形象地顯示在控制中心的顯示器上，檢測和控制狀態(tài)在各自位置旁動態(tài)顯示，操作者經簡單培訓即可對整個系統(tǒng)進行控制。

結語

與有線方式相比，無線控制系統(tǒng)的應用避免了復雜的布線施工。根據需求和小區(qū)環(huán)境的變化，僅需修改軟件設置和節(jié)點的位置，就可以調整照明布局和擴充功能。適用不同的使用要求，能夠降低系統(tǒng)建設費用和建設周期。在實驗室搭建的照明控制系統(tǒng)，經實際運行測試，能夠對照明的狀態(tài)進行無線和人性化的動態(tài)控制，具有一定的節(jié)能效果。