基于ANT的LED照明控制系統(tǒng)的軟硬件設計

　　0 引言

　　在環(huán)境污染和能源匱乏日益嚴重的背景下，LED 照明設備因其發(fā)光效率高、使用壽命長等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。作為未來照明的主題，LED 照明系統(tǒng)正在向智能化的方向發(fā)展。通過結合使用傳感、通信和控制等技術，實現LED 照明的個性化、舒適性和二次節(jié)能。智能照明控制系統(tǒng)的基本功能包括：LED 設備的亮度控制， LED驅動器的電流、電壓和功率因數等物理參數的采集，以及設備工作狀態(tài)的檢測。智能照明控制系統(tǒng)的控制方式可分為有線和無線兩種，常見的有線控制方式包括DALI、PLC 和RS485等，無線控制則主要采用433MHz 和Zigbee 網絡傳輸信號。

　　ANT 無線自組網協(xié)議是由Dynastream、Nordic 等公司推出的2.4GHz 短距離無線網絡標準，相比于藍牙和Zigbee 等無線通信技術，它具有更低的功耗、更低的系統(tǒng)成本和更短的開發(fā)應用周期等優(yōu)點，是一種具有較強競爭力的短距離無線通信技術。

　　1 系統(tǒng)架構

　　如圖1 所示，控制系統(tǒng)由服務器軟件、集中管理器和終端控制器組成。最上層的服務器設于遠程控制中心，通過以太網、GPRS 或3G 等方式與集中管理器交換數據。用戶可利用安裝在服務器上的管理軟件查看照明設備的實時電參數和工作狀態(tài)，配置照明控制策略。集中管理器用于實現服務器與終端控制器的雙向通信中繼，一方面接收服務器指令并下發(fā)給控制器以進行照明控制，另一方面查詢控制器狀態(tài)和電參數并上傳給服務器。集中管理器和終端控制器之間采用ANT 無線網絡進行通信。位于最底層的終端控制器與LED 驅動器相連，負責監(jiān)測LED 照明設備的工作狀態(tài)和采集相關電參數，同時根據指令調整LED 光源的亮度等級。

　　2 硬件設計

　　集中管理器和終端控制器的電路原理框圖如圖2 所示。集中管理器主要負責通信中繼，其處理器選用了TI 公司的16 位超低功耗單片機MSP430F5418A，它的外設功能豐富，集成UART，SPI，I2C 等接口，便于與外部系統(tǒng)互聯，滿足系統(tǒng)對通信模塊的擴展需求。終端控制器通過控制輸入驅動器的調光電壓或PWM 的占空比來改變LED 的亮度，通過采集LED 驅動器的反饋電壓來判斷LED 驅動器是否運行正常，其處理器則選用了Freescale 公司的8 位單片機MC9S08SG8，其主要特點是具有4 路PWM 輸出，以及8路ADC，非常適用于燈控系統(tǒng)。

　　ANT 網絡芯片采用了Nordic 公司推出的第二代單片ANT 解決方案產品nRF24AP2，它提供了同步/ 異步串行接口，本設計中單片機與nRF24AP2 芯片通過異步串口通信。ANT 協(xié)議棧被預先封裝在nRF24AP2 中，因此單片機只需按照規(guī)定格式向nRF24AP2發(fā)送命令數據幀，即可實現組網和通信。ANT 串行數據幀均以同步碼開始、校驗碼結束，采用低位前導的方式傳輸字節(jié)。數據幀依次由以下內容組成：

　?。?）同步碼（1 字節(jié)）：處理器發(fā)送給ANT 芯片的數據以0xA5作為同步碼，而ANT 芯片向處理器發(fā)送的數據則以0xA4 開始；

　?。?）幀長（1 字節(jié)）：用戶數據長度，最多不超過9 個字節(jié)；

　　（3）幀類型（1 字節(jié)）：數據幀類型，有效值為1~255 ;

　　（4）數據（N 字節(jié)）：用戶定義的通信數據；

　　（5）校驗碼（1 字節(jié)）：等于之前所有字節(jié)的異或值。

　　3 軟件設計

　　ANT 網絡提供了點對點、星形、樹形乃至網狀等多種網絡拓撲，可以滿足不同照明環(huán)境的需求。本設計以路燈應用為目標進行鏈狀網絡配置。在鏈狀網絡中，集中管理器下發(fā)的命令和終端控制器回復的數據都需要采用多跳轉發(fā)的方式傳輸到目標地址。

　　ANT 基于通道進行網絡管理和通信。通道是ANT 設備進行數據交換的通信路徑，每個通道由1 個主機和1 至多個從機組成。

　　通道參數相匹配的ANT 設備之間才能互相通信。管理器作為命令的主動發(fā)送方，是鏈狀網絡的源設備，它被配置為所在通道的主機。終端控制器（除了位于鏈路末端）需要進行通信中繼，因此它同時工作在2 個通道上，在接收命令的通道上作為從機，而在發(fā)送命令的通道上作為主機。

　　通道參數包括通道類型、通道ID、工作頻率、通道周期和網絡類型。通道配置按以下流程順序執(zhí)行：

　　（1）配置網絡類型：采用公共網絡及公共網絡密鑰；

　　（2）分配通道：指定主機采用共享雙向發(fā)送通道，從機采用共享雙向接收通道；

　?。?）配置通道ID ：主機的傳輸類型、設備類型和設備號分別為3、4 和4，工作于某通道的從機的設置與其所在通道的主機相同；

　　（4）配置通道周期、無線通信頻率和發(fā)射功率：分別設置為2秒、2466MHz 和0dBm ;

　?。?）打開通道。

　　集中管理器的功能包括通信中繼和定時查詢控制器狀態(tài)。上電后，集中管理器首先進行單片機的初始化：配置時鐘、異步串口的波特率等，并使能串口和定時器中斷。初始化完成后，集中管理器對nRF24AP2 進行操作，完成上電復位、通道配置等操作，隨后進入低功耗狀態(tài)。接收到服務器命令和控制器應答會觸發(fā)單片機進入不同的串口中斷處理程序。在接收到服務器命令時，集中管理器先對命令幀進行解析處理，得到目標控制器地址后向其發(fā)送命令。當下發(fā)命令的對象是單個控制器時，集中管理器發(fā)送完命令后會等待控制器的應答。如果在規(guī)定時間內接收到目標控制器回復的數據時，集中管理器會保存數據并更新其無線通信狀態(tài)信息；否則集中管理器會重發(fā)命令幀，直到接收到控制器的應答或重發(fā)次數達到最大。如果下發(fā)命令的對象是一組控制器，集中管理器則會在發(fā)送完命令后等待一段時間，發(fā)送查詢命令以確認目標控制器是否已按命令執(zhí)行相應操作。此外，集中管理器還會定時查詢所有照明設備的工作狀態(tài)和電參數。

　　路由終端控制器在完成單片機初始化和對nRF24AP2 的配置后進入低功耗狀態(tài)。由于它們同時工作在兩個通道上，因此會接收到來自2 個通道的數據。通道主機發(fā)送的命令有多種類型，可能是調光或查詢狀態(tài)，命令的目標地址也可能是單個或多個。針對不同類型的數據，路由終端控制器會做不同的處理。在接收到單播命令的情況下，控制器首先判斷命令的目標地址，如果是發(fā)送給自己的則回復數據，并根據命令中的調光等級調整PWM 的占空比，最后退出中斷回到低功耗狀態(tài)；如果不是發(fā)送給自己的，則應答后繼續(xù)在另一通道上向從機轉發(fā)命令。同樣的，如果接收到從機發(fā)送的數據，路由終端控制器也會首先查看目標地址，如果是發(fā)送給管理器的則通過上行通道發(fā)送出去，如果是對自己所下發(fā)的命令的應答則回到退出中斷。另一方面，如果路由終端控制器接收到的命令是多播類型，它首先判斷自己是否包括在目標地址集合中，如果不在那么它只應答主機和轉發(fā)數據。否則，路由終端控制器會等待一段時間，在接收到末端控制器對集中管理器查詢命令的回復數據時，將本地數據封裝進去，再發(fā)送給通道主機。這樣做的優(yōu)點在于多個控制器可以使用同1 個通信包將數據回復給集中管理器，而不必一一回復，避免無線通信沖突和擁塞。

　　另外，終端控制器還會定時查詢驅動器的工作電壓是否正常，并采集相關電參數。

　　末端終端控制器的功能比較簡單，除了定時查詢驅動器的工作電壓是否正常，并采集相關電參數外，只要在接收到下發(fā)的命令后應答、并按命令進行相應操作即可。

　　4 總結

　　智能照明是LED照明控制系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。本文基于ANT 網絡通信技術進行了無線LED 照明控制系統(tǒng)及其軟硬件的設計。該系統(tǒng)無需布線，安裝方便，運行可靠，能提高燈控系統(tǒng)的智能化水平，有力保障照明設備的正常運行。