2015年7月4日
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0 引言
一直以來，我國(guó)低壓電網(wǎng)用電側(cè)處于無法遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，無法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無法對(duì)故障進(jìn)行定位和自動(dòng)隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問題，必須裝設(shè)帶通信型漏電流動(dòng)作保護(hù)器(下稱智能斷路器)，并把信息實(shí)時(shí)上傳到主站系統(tǒng)進(jìn)行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網(wǎng)直接與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護(hù)量大，GPRS模塊無線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點(diǎn)多，通信費(fèi)用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設(shè)計(jì)一種用于低壓配網(wǎng)負(fù)荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機(jī)，可與分散在一定區(qū)域范圍內(nèi)的智能斷路器通過自組網(wǎng)的ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個(gè)分散的智能斷路器數(shù)據(jù)，并可通過GPRS模塊無線公網(wǎng)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分合控制以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。
通信管理機(jī)擔(dān)負(fù)ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)量存儲(chǔ)等工作，其具體功能包括：定時(shí)采集并存儲(chǔ)低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數(shù)據(jù)，并定時(shí)上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實(shí)現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及開關(guān)分合控制；存儲(chǔ)告警事件并立即上傳主站。
1 通信結(jié)構(gòu)與智能斷路器
1.1 通信結(jié)構(gòu)
通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)智能斷路器作為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通信管理機(jī)為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議。與主站間為GPRS模塊無線公網(wǎng)，主站擁有固定的IP地址，通信管理機(jī)上電即自動(dòng)向特定IP的主站申請(qǐng)連接，待主站對(duì)連接響應(yīng)后，主站和通信管理機(jī)便建立起透明的數(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數(shù)字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控于一體，具備人機(jī)對(duì)話顯示、存儲(chǔ)和記憶等功能。本文使用的三相和單相智能斷路器選擇適用于低壓電網(wǎng)的通信型剩余電流斷路器，可運(yùn)行在手動(dòng)或自動(dòng)控制方式下，自動(dòng)控制方式下突變漏電流、緩變漏電流、電流或電壓越限智能斷路器自動(dòng)跳閘，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位最后一位表示自動(dòng)跳閘原因，手動(dòng)控制方式下不跳閘；其主要外設(shè)包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態(tài)指示燈、分合閘按鈕、RS-485接口和交流電源；該系列斷路器的功能如表1所示(只列出主要功能)，包括讀數(shù)據(jù)、讀參數(shù)、設(shè)置參數(shù)、智能斷路器分合閘及設(shè)置手自動(dòng)運(yùn)行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴(kuò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)與通信管理機(jī)的ZigBee無線通信，外擴(kuò)的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉(zhuǎn)UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，方便通信管理機(jī)對(duì)智能斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機(jī)與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機(jī)與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應(yīng)答方式，主站主動(dòng)召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機(jī)在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時(shí)間間隔可設(shè)置)主動(dòng)上報(bào)一次數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)生告警信息時(shí)，通信管理機(jī)即時(shí)上報(bào)告警事件。
每幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、地址域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)域、數(shù)據(jù)單元域、校驗(yàn)域等組成，如表2所示。
表2 主站協(xié)議通信幀格式
數(shù)據(jù)傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的開始；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為原始數(shù)據(jù)除開始碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)和及結(jié)束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址，數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度開始到校驗(yàn)和之前所有字節(jié)的累加和，不計(jì)溢出位；結(jié)束符為16H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。對(duì)啟動(dòng)站發(fā)送的無需數(shù)據(jù)返回的命令，從動(dòng)站校驗(yàn)通過后一律返回接收正確命令，即系統(tǒng)應(yīng)答報(bào)文。對(duì)SOE事件的確認(rèn)必須加上當(dāng)前上報(bào)的事件計(jì)數(shù)器。主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)
3 硬件設(shè)計(jì)、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)及其外圍電路。
3.1.1 中央處理器
中央處理器選用digi公司工業(yè)級(jí)RCM6710模塊，工作頻率可達(dá)162.5 MHz。相對(duì)于C51、DSP芯片，該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、串口多、外設(shè)豐富、抗干擾能力強(qiáng)及較高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求。
RCM6710模塊擁有一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)口及6個(gè)高速UART接口。主要硬件資源及外設(shè)如圖2所示。6個(gè)高速UART接口的設(shè)計(jì)分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調(diào)試及程序下載口；串口B和D不作開發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實(shí)現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預(yù)留。預(yù)留接口是考慮到系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的通用性及可擴(kuò)展性，調(diào)試成功后可用于其它項(xiàng)目。該模塊外設(shè)的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時(shí)間。
圖2 通信管理機(jī)硬件框圖
3.1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)
存儲(chǔ)系統(tǒng)包括芯片內(nèi)置存儲(chǔ)器SRAM和板載存儲(chǔ)器。內(nèi)置的SRAM空間1 MB，用于程序運(yùn)行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容包括：通信管理機(jī)地址、IP和主動(dòng)上傳時(shí)間間隔及智能斷路器的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)等。所存儲(chǔ)的設(shè)置參數(shù)控制著通信管理機(jī)的運(yùn)行，通信管理機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將設(shè)置參數(shù)加載到RAM中進(jìn)行參數(shù)配置，一旦主站對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進(jìn)行更新并保存其最新狀態(tài)到Flash中。主站查詢智能斷路器的數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)只需訪問通信管理機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，無需再下發(fā)智能斷路器。
3.2 接口部分
接口電路包括主要包括GPRS模塊模塊、RS-485通信電路和ZigBee模塊等。
這里主要介紹GPRS模塊模塊。
通信管理機(jī)GPRS模塊模塊選用中興ME3000模塊，該模塊擁有高速UART接口、Audio接口、SIM卡接口、天線接口和RTC接口。與RCM6710的接口電路如圖3所示。RCM6710串口E與該模塊高速UART連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實(shí)現(xiàn)中興ME3000模塊的復(fù)位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續(xù)時(shí)間超過1 500 ms時(shí)模塊開啟，低電平持續(xù)時(shí)間超過2 s時(shí)模塊關(guān)閉。該模塊與RCM6710采用雙線模式通信，故使中興ME3000模塊的UART控制引腳/RTS和/DTR處于低電平。
中興ME3000模塊可通過標(biāo)準(zhǔn)AT命令進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送，支持內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、規(guī)約轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼瞬捎媚芴幚矶嗳蝿?wù)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，按照功能劃分任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求確定任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還要按照每個(gè)任務(wù)所處理的數(shù)據(jù)量的大小，給每個(gè)任務(wù)分配大小合適的堆棧。
按功能將任務(wù)劃分為定時(shí)管理、GPRS模塊通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)建程序如下：OSInit()；OSTaskCreate(TimeDeal，(void*)0，2048，10)；OSTaskCreate(GPRS模塊，(void*)0，2048，11)；OSTaskCreate(DataCom，(void*)0，4096，15)；OSTaskCreate(ZBDeal，(void*)0，4096，20)；OSStart()；定時(shí)管理任務(wù)是最需保證準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行的任務(wù)，所以優(yōu)先級(jí)最高。其次為GPRS模塊通信任務(wù)、數(shù)據(jù)解析任務(wù)，最后為ZigBee通信任務(wù)。當(dāng)多個(gè)任務(wù)同時(shí)要執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的先運(yùn)行。
各任務(wù)分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級(jí)維護(hù)。任務(wù)操作對(duì)象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開辟了8個(gè)GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個(gè)GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序?yàn)?span lang="EN-US">FIFO(First InFirst Out)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)必須先申請(qǐng)一個(gè)空閑的緩沖區(qū)，故要對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行忙校驗(yàn)，申請(qǐng)緩沖區(qū)時(shí)也需要對(duì)緩沖區(qū)的大小進(jìn)行合理設(shè)定。
任務(wù)創(chuàng)建后，根據(jù)各任務(wù)要求執(zhí)行的頻率，在每個(gè)任務(wù)建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務(wù)間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 通信管理機(jī)任務(wù)
定時(shí)管理任務(wù)主要負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)和延遲，包括GPRS模塊重發(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包上傳時(shí)間間隔分別默認(rèn)為5 min和2 min。下面主要介紹數(shù)據(jù)解析任務(wù)、ZigBee通信任務(wù)和GPRS模塊通信任務(wù)。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務(wù)
數(shù)據(jù)解析任務(wù)主要負(fù)責(zé)與主站服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對(duì)象為全局變量、GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和GPRS模塊接收緩沖區(qū)，物理層按照GPRS模塊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務(wù)首先對(duì)GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析，可分為應(yīng)答、上行和下行三類處理。應(yīng)答幀主要為主站對(duì)通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復(fù)的確認(rèn)幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，含通信管理機(jī)的地址、時(shí)間、定時(shí)上傳時(shí)間間隔、低壓線路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和控制方式。將上行的回復(fù)數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復(fù)報(bào)文存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。下行部分主要為智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及分合閘命令，更改對(duì)應(yīng)的變更標(biāo)志，即全局變量，按規(guī)約形成回復(fù)確認(rèn)幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)包括三相智能斷路器的三相相電流和三相漏電流以及單相智能斷路器的相電壓和單相漏電流，上傳數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約打包，定時(shí)存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務(wù)
ZigBee通信任務(wù)負(fù)責(zé)與智能斷路器的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議為智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議，ZigBee通信任務(wù)的操作對(duì)象為全局變量、ZigBee模塊數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務(wù)分為下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。下發(fā)數(shù)據(jù)又分為兩類：第一類為每10 s主動(dòng)下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務(wù)；第二類為變更任務(wù)，智能斷路器無手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置，手動(dòng)模式數(shù)據(jù)越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務(wù)設(shè)計(jì)手動(dòng)模式下的參數(shù)設(shè)置，若為手動(dòng)模式的參數(shù)設(shè)置變更標(biāo)志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置成功告警事件，若為其它變更標(biāo)志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機(jī)重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認(rèn)幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內(nèi)容包括自動(dòng)跳閘動(dòng)作值設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置和分合閘。接收數(shù)據(jù)處理流程：從ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據(jù)終端規(guī)約解析，分為采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀和變更設(shè)置應(yīng)答幀。采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)位的最后一位為自動(dòng)跳閘原因，首先對(duì)該位進(jìn)行判斷，若有跳閘則將帶自動(dòng)跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進(jìn)行存儲(chǔ)。變更設(shè)置應(yīng)答幀代表參數(shù)設(shè)置成功，將相應(yīng)的變更設(shè)置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應(yīng)的設(shè)置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運(yùn)行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務(wù)對(duì)設(shè)置成功告警事件進(jìn)行存儲(chǔ)，主站可以通過訪問通信管理機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。
4.3 GPRS通信任務(wù)
GPRS模塊通信任務(wù)主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址或主站服務(wù)器地址及端口更改而需要重連網(wǎng)絡(luò)。如果需要重連網(wǎng)絡(luò)，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關(guān)斷連接，同時(shí)清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，清除GPRS模塊登錄過程中的錯(cuò)誤記錄。重連后便可進(jìn)行GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
各狀態(tài)變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機(jī)與主站之間的連接分為四種狀態(tài)：GPRS模塊_OFF(代表模塊沒有正常工作)、GPRS模塊_WORK(代表AT指令正常)、GPRS模塊_GW(代表GPRS模塊網(wǎng)關(guān)連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務(wù)時(shí)都會(huì)進(jìn)行連接狀態(tài)的判斷，當(dāng)連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結(jié)語
本文提出一種可實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)負(fù)荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機(jī)設(shè)計(jì)方案，該通信管理機(jī)可與主站及多臺(tái)帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運(yùn)行。通信管理機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)思路，提高開發(fā)效率，也有助于日后的升級(jí)維護(hù)。本文所設(shè)計(jì)的ZigBee模塊通信管理機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過數(shù)月的運(yùn)行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉(zhuǎn)發(fā)準(zhǔn)確，具有很高的可靠性。
2015年6月7日
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1 引言
ZigBee無線模塊出租車調(diào)度系統(tǒng)一定程度上解決了“人找車，車找人”的現(xiàn)象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調(diào)度系統(tǒng)主要有：電話調(diào)度、GPS調(diào)度、站牌調(diào)度等。出租車電話調(diào)度具有可隨時(shí)隨地叫車的優(yōu)點(diǎn)，但需乘客撥打出租車調(diào)度中心電話與話務(wù)員座席溝通確認(rèn)乘客位置，方能人工調(diào)度附近的出租車前往搭載乘客，交互過程長(zhǎng)、調(diào)度效率低，不適于快節(jié)奏的打車需求。GPS調(diào)度是根據(jù)乘客實(shí)時(shí)的GPS位置信息進(jìn)行調(diào)度的出租車調(diào)度系統(tǒng)，乘客可以通過短信和手機(jī)軟件發(fā)送GPS位置信息至調(diào)度中心，調(diào)度中心采用Dijkstra算法，自動(dòng)調(diào)度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動(dòng)調(diào)度，節(jié)省了人工座席服務(wù)的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導(dǎo)航儀。電子導(dǎo)航儀價(jià)格貴，有升級(jí)費(fèi)用，出租車司機(jī)消費(fèi)高，難以普及。站牌調(diào)度系統(tǒng)通過站牌和出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)城市出租車預(yù)約功能。該系統(tǒng)中乘客和出租車司機(jī)直接交互，無需調(diào)度中心等第三方平臺(tái)。站牌即乘客位置，各站牌采用統(tǒng)一編碼，通過編碼信息即可得知乘客所在精確位置，無需GPS定位系統(tǒng)，乘客定位簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。站牌調(diào)度雖然具有不依賴調(diào)度中心和GPS定位系統(tǒng)、交互直接、調(diào)度快和設(shè)備費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但目前的站牌調(diào)度系統(tǒng)還存在以下不足：
(1)司機(jī)沒有乘客信息，僅乘客知道出租車車牌號(hào)，而且乘客沒有具體憑證，多位乘客叫車時(shí)，司機(jī)不能辨別乘客，容易出現(xiàn)乘客搶車插隊(duì)現(xiàn)象；
(2)根據(jù)出租車司機(jī)響應(yīng)結(jié)果來決定出租車調(diào)度對(duì)象，沒有考慮出租車具體路程，不能確保是最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果；
(3)缺乏乘客和出租車司機(jī)雙方的誠(chéng)信約束措施，爽約現(xiàn)象頻發(fā)，造成司乘雙方支持信心不足，對(duì)推廣實(shí)施不利。
為解決上述不足，本文在傳統(tǒng)的站牌調(diào)度系統(tǒng)上進(jìn)行較大改進(jìn)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線模塊的感知、傳輸、應(yīng)用三層架構(gòu)的出租車調(diào)度系統(tǒng)方案。方案采用乘客刷卡預(yù)約出租車的方式，用以解決乘客插隊(duì)和誠(chéng)信問題；通過增加信號(hào)中繼節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大出租車調(diào)度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用Jennie ZigBee協(xié)議組建ZigBee無線數(shù)傳樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)信息進(jìn)行ZigBee數(shù)傳采集，結(jié)合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調(diào)度對(duì)象，實(shí)現(xiàn)乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調(diào)度。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、應(yīng)用三層體系架構(gòu)，三層功能分布在系統(tǒng)的站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)、車載應(yīng)答子系統(tǒng)、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)和調(diào)度管理中心四部分實(shí)體中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在原站牌調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加架構(gòu)了感知層RFID讀寫器、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網(wǎng)關(guān)模塊和應(yīng)用層調(diào)度管理中心等。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)安裝在經(jīng)常出現(xiàn)打車行為的道路邊(如大型商場(chǎng)、小區(qū)、學(xué)區(qū)、寫字樓等)，乘客通過RFID刷卡預(yù)約車，采用ZigBee無線模塊通信方式發(fā)布乘客打車信息、接收出租車司機(jī)應(yīng)答信息，并用GPRS上傳調(diào)度結(jié)果信息。車載應(yīng)答子系統(tǒng)安裝在出租車內(nèi)，用于接收乘客打車信息、發(fā)送司機(jī)應(yīng)答信息和乘客上車刷卡核對(duì)卡號(hào)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)安裝在信號(hào)較弱處，用于轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee無線信號(hào)，擴(kuò)大調(diào)度范圍。調(diào)度管理中心負(fù)責(zé)接收、保持和查詢GPRS上傳的調(diào)度結(jié)果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預(yù)扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補(bǔ)償給守約方的雙重機(jī)制，促使雙方遵守誠(chéng)信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要通過感知層實(shí)現(xiàn)分布在城市內(nèi)的多站牌點(diǎn)附近的出租車信息進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集調(diào)度功能。該層以分布在城市內(nèi)的站牌預(yù)約點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，信號(hào)中繼裝置為路由器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成不斷將行駛進(jìn)入站牌限定范圍內(nèi)的出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的多個(gè)動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)主要包括ZigBee無線模塊、RFID讀寫器模塊、GPRS網(wǎng)關(guān)模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)框圖
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)ZigBee無線模塊負(fù)責(zé)搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，控制RFID讀寫器模塊工作，無線傳輸乘客打車信息、將違約／調(diào)度結(jié)果信息通過串口發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)模塊；RFID讀寫器模塊供乘客刷卡發(fā)送打車信息和預(yù)約成功后預(yù)扣定金；GPRS網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送調(diào)度結(jié)果和爽約信息至調(diào)度管理中心；顯示模塊顯示乘客預(yù)約打車結(jié)果。
ZigBee無線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡(jiǎn)稱JN5139)，其具有使用免費(fèi)頻段、無線自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于出租車和乘客之問通信。
RFID讀寫器模塊采用Mifare RC522讀寫卡芯片，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。GPRS網(wǎng)關(guān)模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊，它具有GSM和GPRS功能。顯示器模塊采用VL TS COG BTl2864(以下簡(jiǎn)稱BTl2864)系列液晶顯示器。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進(jìn)行通信。JN5139、RC522、SIM300和BTl2864各通信接口如下：JN5139具有SPI串行接口(可選擇五個(gè)從屬SPI設(shè)備)和兩個(gè)UART；RC522有SPI、12C、UART三種接口，這三種接口的最高通信速率分別為10 Mbit／s、3400 Kbit／S和1 228．8 Kbit／S；SIM300與外部接口為UART；BTl2864有串行接口(SPI接口)和并行接口兩種。
系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)按照電路簡(jiǎn)單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結(jié)合各模塊的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的通信接口電路如圖3所示。
圖3 JN5139與各模塊接口
圖3中，JN5139和BTl2864、RC522采用SPI串行接口通信，通信速率分別為2 Mbit／s、1 Mbit／s；JN5139和SIM300之問采用UART通信，通信波特率為19200 baud／s。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)中JN5139、RC522、BTl2864都可采用3．3 V供電。而SIM300需要4 V供電，而且要求能夠提供最大2A的瞬時(shí)電流，取市電(220V交流電)輸入變壓器后得12 V電壓，采用可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓芯片LM2756。LM2756輸出電壓Vo=1．23×(1+Rl／R2)。其中R1取4．7kQ，R2取2kQ，經(jīng)整流濾波后輸出4．12V電壓，符合SIM300的工作要求。將此4．12 V電壓輸入穩(wěn)壓芯片LP2985，輸出端接電容濾波，得到較為穩(wěn)定的3．3 V電壓，給其它模塊供電。本文硬件設(shè)計(jì)部分主要介紹站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，車載應(yīng)答子系統(tǒng)各模塊與站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)各模塊大體相同，將站牌預(yù)約子系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)關(guān)模塊(SIM300)換成語音識(shí)別模塊即為車載應(yīng)答子系統(tǒng)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
乘客需在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡，站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)組播一則打車消息。若有多位出租車司機(jī)回復(fù)，選擇路由最短的作為調(diào)度對(duì)象。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)調(diào)度流程如圖4所示。
圖4 站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)流程
JN5139通過配置RC522寄存器控制讀寫器進(jìn)行相應(yīng)工作，需要注意的是在使用SPI總線讀取RC522的FIFO Buffer時(shí)，寫第一次地址讀出來的是無效值，寫第二次地址返回第一次的數(shù)據(jù)，寫第三次地址返回第二次的數(shù)據(jù)，以此類推構(gòu)建出租車調(diào)度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)調(diào)器、路由、終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，特別是要不斷動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)和將行駛進(jìn)入站牌點(diǎn)限定范圍內(nèi)的出租車車載單元加入成為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的信道可能在一些場(chǎng)合中已被其他系統(tǒng)使用，故各站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)可能使用不同信道，終端節(jié)點(diǎn)要加入不同信道的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行配置，如設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信道為0，則可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備自動(dòng)搜索所在區(qū)域的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信道和個(gè)域網(wǎng)ID都匹配時(shí)，加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBee協(xié)議棧一段時(shí)間沒有收到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答信息時(shí)，判斷為離開網(wǎng)絡(luò)，需要重新設(shè)置，并重新尋找網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)無線通信采用Jennic公司的硬件及協(xié)議棧，調(diào)度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務(wù)器組件中添加OnClientRead事件處理函數(shù)，接收、處理GPRS上傳的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在sQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中。調(diào)度中心、各出租車公司可對(duì)出租車司機(jī)的基本信息、調(diào)度結(jié)果和爽約情況進(jìn)行查詢。
5 最佳調(diào)度對(duì)象選擇
本系統(tǒng)采用AODVjr路由，AODVjr對(duì)AODV算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)，這種按需路由協(xié)議在移動(dòng)性高、負(fù)載低的場(chǎng)合性能較高。AODVjr路由中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而不知道路徑時(shí)，則將RREQ分組組播至其鄰居節(jié)點(diǎn)。
若收到該分組的鄰居節(jié)點(diǎn)是帶路由功能的節(jié)點(diǎn)，則該鄰居節(jié)點(diǎn)先建立反向路由，該反向路由指向源節(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)組播該RREQ分組至其自己的鄰居節(jié)點(diǎn)。不具備路由功能的鄰居節(jié)點(diǎn)，則通過上述的地址分配算法將該RREQ分組發(fā)送至其子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)，由其子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該分組。而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到RREQ分組后，向源節(jié)點(diǎn)單播回復(fù)RREQ分組，并將接收到此RREQ分組的所有節(jié)點(diǎn)保存在鄰居表中，從而建立到源節(jié)點(diǎn)的路由。
在有多個(gè)司機(jī)回復(fù)乘客預(yù)約車信息時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行最佳調(diào)度對(duì)象的選擇，因布點(diǎn)時(shí)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)距離基本相同，路由跳數(shù)基本上能反映出租車距站牌預(yù)約點(diǎn)的距離，可通過路由跳數(shù)大小確定較佳的調(diào)度對(duì)象。但是，當(dāng)?shù)缆分写嬖谧o(hù)欄或者綠化帶時(shí)，站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)的出租車即使路由跳數(shù)少，也因出租車不能直接轉(zhuǎn)向到達(dá)站牌預(yù)約點(diǎn)，而不能作為調(diào)度對(duì)象。所以，本系統(tǒng)在站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)(如圖5中的F節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)增加中繼節(jié)點(diǎn)后，也可以將F節(jié)點(diǎn)做成站牌預(yù)約點(diǎn)，供另一側(cè)的乘客預(yù)約車)，以區(qū)分站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結(jié)合確定系統(tǒng)的最佳調(diào)度對(duì)象。為父節(jié)點(diǎn)所能擁有的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)上述算法分配的地址為車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的地址，JN5139采用的協(xié)議棧中，除了路由表之外還有一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)表，它保存了可以直接通信的節(jié)點(diǎn)的地址。在實(shí)際生活中，乘客可能會(huì)在站牌預(yù)約點(diǎn)下車，這時(shí)出租車空載，從而加入網(wǎng)絡(luò)。
此時(shí)它處在站牌預(yù)約點(diǎn)的鄰居表中而不是路由表中，所以在比較路由時(shí)，需要同時(shí)讀取路由表和鄰居表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較
6 測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為齊齊哈爾市文化大街，道路寬8 m，路旁有10 m高的楊樹。測(cè)試設(shè)備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經(jīng)測(cè)試信號(hào)傳輸距離在500 m左右，本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)最大調(diào)度范圍為1500m。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)如圖5所示。
圖5 網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)
節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F為信號(hào)中繼裝置，除節(jié)點(diǎn)C、D外，其他相鄰節(jié)點(diǎn)問的距離為500m。測(cè)試中，車牌號(hào)為黑BTl347和黑BTl947的兩輛出租車都向站牌預(yù)約點(diǎn)行駛。乘客在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡預(yù)約出租車，兩輛出租車均同意乘客打車，其中，黑BTl347出租車消息路由為B-D-C-O，黑BTl947的消息路由為E-D-C-O，二者路由跳數(shù)相同，二者距站牌預(yù)約點(diǎn)的距離也基本相同(布點(diǎn)時(shí)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)問距離基本相同)。但是，根據(jù)我國(guó)行駛規(guī)則，黑BTl947出租車不需等待交通燈，能最快趕到站牌預(yù)約點(diǎn)，故選擇結(jié)果最合理的調(diào)度對(duì)象為車牌號(hào)為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網(wǎng)絡(luò)地址分配圖
結(jié)合圖6知，黑BTl947出租車通過E節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)短地址在22～24之問；同理，黑BTl347的網(wǎng)絡(luò)短地址在28～30之問，所以，根據(jù)出租車短地址即可以進(jìn)行相同路由跳數(shù)下的最佳調(diào)度對(duì)象選擇。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果
測(cè)試實(shí)例中，乘客共發(fā)出11次打車請(qǐng)求，其中有一次為司機(jī)響應(yīng)后沒有前往站牌預(yù)約點(diǎn)接乘客，屬于出租車司機(jī)爽約，調(diào)度管理中心據(jù)此對(duì)出租車司機(jī)扣除相應(yīng)違約金，以維護(hù)乘客和出租車司機(jī)雙方的誠(chéng)信約束制度。站牌預(yù)約的進(jìn)程信息通過GPRS傳輸至調(diào)度管理中心。調(diào)度管理中心可查詢乘客和出租車司機(jī)爽約信息、各站牌預(yù)約點(diǎn)打車信息和司機(jī)詳細(xì)信息等。實(shí)例中調(diào)度管理中心對(duì)司機(jī)李強(qiáng)的詳細(xì)信息查詢結(jié)果如圖8所示。
圖8 司機(jī)詳細(xì)信息查詢
7 結(jié)束語
本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee模塊的出租車調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee數(shù)傳模塊技術(shù)，融合RFID、ZigBee數(shù)傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乘客在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡叫車，系統(tǒng)感知層構(gòu)建的ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)可合理調(diào)度網(wǎng)內(nèi)空載出租車為乘客提供乘車服務(wù)。系統(tǒng)傳輸層、應(yīng)用層的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理中心通過記錄、保存調(diào)度信息、暫扣乘客卡內(nèi)預(yù)約定金和監(jiān)督出租車司機(jī)守約功能，有效防止出租車司機(jī)或乘客爽約，建立出租車司機(jī)和乘客之間的誠(chéng)信。各出租車公司也可查詢本公司員工調(diào)度紀(jì)錄確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)還可以進(jìn)行升級(jí)與擴(kuò)展，如在應(yīng)用層增加物聯(lián)網(wǎng)預(yù)約車平臺(tái)和手機(jī)平臺(tái)后，乘客預(yù)約出租車信息通過GPRS網(wǎng)關(guān)即可傳至相應(yīng)站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)，乘客可通過互聯(lián)網(wǎng)與3G／4G技術(shù)預(yù)約出租車。本系統(tǒng)為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
2015年6月2日
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引言
當(dāng)代社會(huì)，城市路燈照明／景觀照明建設(shè)不僅帶給人們光明與視覺享受，而且成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時(shí)也帶來了諸多的困擾，比如管理、費(fèi)用、用電、電纜被盜等問題。基于ZigBee無線模塊技術(shù)和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動(dòng)化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，ZigBee無線路燈控制器可以對(duì)路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、高效的控制和資源整合，合理調(diào)整照明時(shí)間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長(zhǎng)照明燈具的使用壽命，減少日常維護(hù)的開支。
1 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節(jié)點(diǎn)和控制中心通信的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，固定在路燈桿上的終端節(jié)點(diǎn)。無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 無線路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)與無線收發(fā)模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)建立和管理ZigBee無線路燈控制器網(wǎng)絡(luò)，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調(diào)整個(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅(qū)動(dòng)，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號(hào)控制LED的工作情況。光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測(cè)模塊檢測(cè)LED功率情況、供電故障并向上報(bào)警；無線模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的ZigBee無線路燈控制器節(jié)點(diǎn)即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調(diào)器(COORD)，實(shí)現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)(ROUTER)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)方案。
1．1 LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)
LED節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場(chǎng)或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應(yīng)用。該設(shè)計(jì)可將通用電源(90--265 VRMS)轉(zhuǎn)換成0．9 A恒流源，能夠驅(qū)動(dòng)100 W LED負(fù)載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級(jí)設(shè)計(jì)，第一級(jí)是UCC28810的轉(zhuǎn)換模的PWM調(diào)光。此方案的優(yōu)勢(shì)在于，使用了高效的專用驅(qū)式電路，將AC電源轉(zhuǎn)換成36 V的DC電源。第二級(jí)也采用UCC28811的轉(zhuǎn)換模式，將恒壓源轉(zhuǎn)換為0．9 A恒流源。電路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數(shù)校正)功能，確保設(shè)計(jì)方案滿足各種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復(fù)位定時(shí)器、過壓保護(hù)(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引腳如表1所列。
表1 UCC28810／1 1控制器引腳
第一級(jí)在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率。第二級(jí)將PFC輸出電壓轉(zhuǎn)換為0．9 A的固定電流，以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。第二級(jí)不僅可接受PWM調(diào)光輸入(從外部或從板級(jí)電路均可)，而且還可相應(yīng)開啟或關(guān)閉調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)LED電流的PWM調(diào)光。由于使用了高效的驅(qū)動(dòng)IC，電源轉(zhuǎn)化效率更高了，在低負(fù)荷線路(10w line)運(yùn)行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓為±15％的變動(dòng)時(shí)，仍能保持輸出電流變動(dòng)穩(wěn)定在±10％內(nèi)。
1．2狀態(tài)檢測(cè)與報(bào)警
狀態(tài)報(bào)警與檢測(cè)主要包括溫度感測(cè)和感光檢測(cè)兩部分內(nèi)容。
1．2．1 溫度感測(cè)
由于大功率白光LED照明和驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱量都很大，所以需要一個(gè)溫度感測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映。如果溫度超過警戒溫度，則ZigBee無線路燈控制器進(jìn)入報(bào)警模式，將自動(dòng)關(guān)閉路燈，并向控制器發(fā)送報(bào)警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點(diǎn)有：獨(dú)特的一線接口，只需要一個(gè)端口即可通信；電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC；工作電壓范圍廣，為3．0～5．5 V，無需備用電源；測(cè)量溫度范圍為55～+125℃，在10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。DSl8820具有工作電路簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)及任何熱敏感系統(tǒng)。
1．2．2 感光檢測(cè)系統(tǒng)
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對(duì)周圍環(huán)境的光亮度進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，當(dāng)傍晚周圍環(huán)境還有余光時(shí)，ZigBee無線路燈控制器將路燈開啟為單雙燈模式；當(dāng)晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當(dāng)凌晨4點(diǎn)左右出現(xiàn)晨光時(shí)，將路燈調(diào)節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣，道路能見度低，路燈也可自動(dòng)打開，保證道路正常照明。
本設(shè)計(jì)使用光敏三極管作為感光元件測(cè)量周圍環(huán)境的亮度，處理器實(shí)時(shí)將周圍環(huán)境的亮度通過ZigBee無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開GND路燈。電路圖如圖3所示。
圖3 光敏三極管電路圖
1．3 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)
目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的2．4 GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2430，以及第二代射頻收發(fā)器CC2520芯片。CC2480無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4所示。
圖4 CC2480／ZiqBee模塊電路圖
CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當(dāng)系統(tǒng)處于空閑時(shí)，CC2480能自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)休眠與主動(dòng)模式的超短時(shí)間轉(zhuǎn)換。晶振XTALl選用32 MHz，晶振XTAL2選用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期間提供時(shí)序，可降低電流、減少功耗，特別適合對(duì)功耗和電池壽命要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。CC2480模塊可以直接與上位機(jī)之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設(shè)計(jì)
MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64 K，還可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器，具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路如圖5所示。
圖5 控制模塊MSP430電路圖
MSP430單片機(jī)的P3．4、P3．5端口設(shè)置成串口0(MSART0)的收發(fā)口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480無線發(fā)送出去；CC2480接收到無線數(shù)據(jù)后，也透明傳送給單片機(jī)。
2軟件流程設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應(yīng)用于所有的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)?span lang="EN-US">ZigBee協(xié)議具有很多的實(shí)用函數(shù)，例如設(shè)備離開或者加入網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的搜索，網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，負(fù)責(zé)接收ZigBee無線路燈控制器發(fā)送回來的ZigBee數(shù)據(jù)采集路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號(hào)發(fā)送給路燈節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)處在監(jiān)控狀態(tài)，負(fù)責(zé)獲取其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，與此同時(shí)把自身路燈的信息傳送給協(xié)調(diào)器；接收協(xié)調(diào)器的控制信號(hào)來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)功能是最簡(jiǎn)單的，只需要負(fù)責(zé)隨時(shí)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，并向上一級(jí)返回路燈當(dāng)前的狀態(tài)。
系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)CC2480進(jìn)行初始化，協(xié)調(diào)器運(yùn)行初始化協(xié)議，同時(shí)打開中斷。此后軟件程序創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)能夠成功創(chuàng)建，就對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器物理地址、當(dāng)前建立網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)以及頻道號(hào)進(jìn)行顯示。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協(xié)調(diào)器程序流程圖
3路燈控制模式
根據(jù)不同上位機(jī)的不同控制命令，路燈節(jié)點(diǎn)有如下幾種不同的控制模式。
3．1 單雙燈開啟模式
這個(gè)模式有兩種情況，編號(hào)是奇數(shù)的燈開啟或者編號(hào)是偶數(shù)的燈開啟。當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會(huì)根據(jù)自身的ID編號(hào)，選擇開啟還是關(guān)閉。這種模式應(yīng)用于傍晚能見度較高，或者陰雨天、沙塵暴等惡劣天氣下城市能見度不佳時(shí)。一般是單雙燈輪流開啟關(guān)閉，保證LED路燈工作時(shí)間大致相同，以延長(zhǎng)其壽命。
3．2全功率開啟模式
當(dāng)ZigBee無線路燈控制器節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會(huì)以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大和節(jié)假日時(shí)開啟。
3．3半功率開啟模式
當(dāng)ZigBee無線路燈控制器節(jié)點(diǎn)接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會(huì)以全功率模式工作，而是通過LED驅(qū)動(dòng)模塊的PWM調(diào)光機(jī)制，將LED的功率控制在額定值的一半，起到節(jié)約電力的作用。
3．4隨機(jī)選擇關(guān)閉模式
這種模式是為了節(jié)約電力和延長(zhǎng)路燈壽命。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機(jī)關(guān)閉模式命令，路燈節(jié)點(diǎn)接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄滅30min，由于路燈是隨機(jī)熄滅的，不會(huì)影響到整體的照明情況。
3．5功率異常報(bào)警模式
這種模式不是上位機(jī)發(fā)出的命令。
當(dāng)路燈節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到功率故障的時(shí)候(如LED二極管短路、功率過小或過大)，路燈將自行切斷照明電源，并向上位機(jī)報(bào)警。
結(jié)語
本文主要分析了ZigBee模塊組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種ZigBee無線路燈控制器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路燈信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集和控制。事實(shí)證明本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)一次性布置之后，可以長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、位置可隨時(shí)變更，使得調(diào)控路燈變得更加方便、科學(xué)。無線LED路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為解決問題提供一個(gè)良好平臺(tái)。
2015年5月27日
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摘要: 我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)， 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動(dòng)力成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)。所謂“智慧農(nóng)業(yè)”就是充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、3S 技術(shù)、ZigBee無線模塊通信技術(shù)及專家智慧與知識(shí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。...
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2015年4月14日
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智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，諸如網(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、自動(dòng)控制、音視頻等技術(shù)將家居生活有關(guān)的各種家居設(shè)施集成，構(gòu)成的高效、便利、舒適、節(jié)能環(huán)保的家居環(huán)境。隨著無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速布局，現(xiàn)代的智能家居只要有一個(gè)無線智能設(shè)備，即能通過客戶端實(shí)時(shí)查看到住宅中的一切動(dòng)態(tài)。在目前，智能家居控制系統(tǒng)中，有基于面板和紅外遙控器或藍(lán)牙的智能家居控制終端解決方案，也有完全基于PC機(jī)的智能家居控制終端解決方案，同時(shí)還有采用手機(jī)作為家居控制終端，利用GSM電話網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)短信或者語音控制。而以上多種技術(shù)的應(yīng)用，催生了各種智能控制模塊的研究和生產(chǎn)，因此導(dǎo)致了當(dāng)前智能家居控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，各個(gè)系統(tǒng)和模塊之間難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。針對(duì)以上問題，本文提出了一整套的智能家居控制系統(tǒng)解決方案，該方案采用Android智能手機(jī)作為控制終端，在STM32F107移植μC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧搭建嵌入式服務(wù)器，通過搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用改進(jìn)的ZigBee路由算法，制定完善的通信協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)通信性能，最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程和本地的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)主要包括嵌入式服務(wù)器，Android客戶端和ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)控制終端和ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)通過嵌入式服務(wù)器進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)信息交互。即用戶采用Android客戶端程序發(fā)送指令通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)傳輸?shù)街悄芗揖忧度胧椒?wù)器，服務(wù)器在接收到控制命令后再通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如采集溫濕度信息并將信息反饋到服務(wù)器，服務(wù)器再將信息通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到Android客戶端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)原則
嵌入式服務(wù)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其實(shí)現(xiàn)的主要原則應(yīng)從下面幾點(diǎn)出發(fā)：(1)允許Android客戶端遠(yuǎn)程登錄到服務(wù)器，并能夠保存登錄用戶的基本信息，實(shí)現(xiàn)多用戶登錄，為每個(gè)用戶都能提供相應(yīng)的服務(wù)。(2)能夠正確接收客戶端發(fā)送的控制命令，并能夠返回相應(yīng)信息。(3)能夠與ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)信息交互，完成命令傳輸和信息采集。嵌入式服務(wù)器啟動(dòng)后，采用socket通信方式接收客戶端的登錄命令，驗(yàn)證通過后為客戶端提供相關(guān)服務(wù)。
2.2 服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)
本次研究采用ST公司生產(chǎn)的Cortex-M3為內(nèi)核的微處理器芯片STM32F107VC進(jìn)行擴(kuò)展搭建嵌入式服務(wù)器硬件平臺(tái)，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。根據(jù)需求，外圍需擴(kuò)展的功能模塊主要包括與ZigBee協(xié)調(diào)器通信模塊和與控制終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信硬件模塊。其中與ZigBee協(xié)調(diào)器通信采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)。而STM32F107內(nèi)部集成了以太網(wǎng)MAC控制器，因此本次設(shè)計(jì)采用RMII接口連接以太網(wǎng)PHY(物理層)芯片DM9161。
圖2 嵌入式服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)圖
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信接口
網(wǎng)絡(luò)通信接口是服務(wù)器與控制終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。STM32F107內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)MAC，并有專用的DMA控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速傳輸。STM32F107還同時(shí)支持MII和RMII兩種物理層接口，因此只需外界一片物理層收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀的發(fā)生和接收，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。所以本次設(shè)計(jì)采用高性價(jià)比的DM9161A作為10M/100M以太網(wǎng)PHY芯片，采用RMII接口與處理器STM32F107內(nèi)部的IEEE1588 MAC連接，并與標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口HR911105A連接，支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。網(wǎng)絡(luò)接口硬件接口設(shè)計(jì)如圖3。
圖3 以太網(wǎng)通信接口
2.2.2 ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)
智能家居中，家居內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇至關(guān)重要。在本次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee數(shù)傳模塊組網(wǎng)技術(shù)。在智能家居網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)被分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，并與從節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和接收。
ZigBee無線模塊從節(jié)點(diǎn)主要嵌入到終端設(shè)備中用于采集檢測(cè)信息發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，或者接收控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制，ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4。
圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530作為主控制器芯片。該芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，基于51內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。
ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要包括一些通過傳感器實(shí)現(xiàn)的信號(hào)采集類模塊，比如溫濕度采集，可燃?xì)怏w泄漏或者火災(zāi)發(fā)生時(shí)的信號(hào)ZigBee數(shù)據(jù)采集并報(bào)警。設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)主要嵌入到家電設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)、燈光控制、智能窗簾、智能熱水器、智能空調(diào)、攝像頭云臺(tái)等的遠(yuǎn)程控制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件主要包括3個(gè)部分：嵌入式服務(wù)器軟件平臺(tái)、ZigBee節(jié)點(diǎn)控制程序、控制終端的Android應(yīng)用程序。
3.1 嵌入式服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)
嵌入式服務(wù)器軟件平臺(tái)的搭建根據(jù)以下2點(diǎn)需求來進(jìn)行:(1)服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作。(2)服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能。因此，本系統(tǒng)選擇移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，移植LwIP實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。
3.1.1 操作系統(tǒng)移植
μC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可剪裁、搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
在移植μC/OS-II系統(tǒng)過程中，需修改以下幾個(gè)文件：匯編文件OS_CPU_A.ASM,與處理器相關(guān)C文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C,系統(tǒng)配置文件OS_CFG.H。
3.1.2 LwIP協(xié)議棧移植
LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP用于資源受限系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)正屬于此列。因此，為實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能，有必要移植TCP/IP協(xié)議棧，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇移植開源的LwIP協(xié)議棧。為移植LwIP，主要工作是需針對(duì)本次設(shè)計(jì)中的目標(biāo)系統(tǒng)μC/OS-II修改模擬層實(shí)現(xiàn)。移植后的系統(tǒng)軟件框架如圖5。
圖5 服務(wù)器軟件框架
3.1.3 應(yīng)用程序編寫
本次設(shè)計(jì)中，嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程用戶登錄注銷、用戶信息管理和數(shù)據(jù)傳輸兩大主要功能。服務(wù)器依據(jù)客戶端指令分別實(shí)現(xiàn)客戶端的登錄注銷、用戶信息管理、終端設(shè)備控制三種功能。用戶登錄時(shí)服務(wù)器創(chuàng)建服務(wù)，注銷時(shí)結(jié)束服務(wù)并切斷與客戶端的通信。用戶信息管理允許用戶通過客戶端修改用戶信息，終端設(shè)備控制功能允許用戶使用客戶端來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居環(huán)境。控制功能由服務(wù)器與ZigBee協(xié)調(diào)器通信實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器工作流程圖如圖6所示。
圖6 服務(wù)器主線程工作流程圖
服務(wù)器啟動(dòng)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化主要包括設(shè)置STM32系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、以太網(wǎng)、GPIO、中斷控制器NVIC、LwIP棧。系統(tǒng)初始化完畢創(chuàng)建2個(gè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為3的任務(wù)內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)socket通信，注冊(cè)數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，其中要使用socket接口必須包含API頭文件socket.h。優(yōu)先級(jí)為4的任務(wù)完成串口數(shù)據(jù)的接收，在任務(wù)中不斷查詢串口數(shù)據(jù)接收完成或緩沖區(qū)溢出標(biāo)志USART_Rx_Done，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢或緩沖區(qū)溢出時(shí)，此時(shí)在中斷服務(wù)程序中設(shè)置全局變量USART_Rx_Done為1，即表示通知主線成串口數(shù)據(jù)接收完畢，主線程將接收到得數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)通信的方式發(fā)送的客戶端。服務(wù)器中斷程序流程圖如圖7。
圖7 中斷服務(wù)程序流程圖
3.2 移動(dòng)控制終端Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
Android客戶端應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分功能，程序功能界面、與家居服務(wù)器通信和處理相關(guān)信息。
3.2.1 功能界面設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)包括登錄界面和功能界面。功能界面采用底部導(dǎo)航欄分欄顯示，包括主頁(yè)、設(shè)備控制、信息中心和系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)方面。主頁(yè)主要顯示當(dāng)前住宅內(nèi)部溫度和濕度以及安防信息；設(shè)備控制主要包括燈光控制、家電控制、門窗控制和情景模式，通過安檢選項(xiàng)進(jìn)行控制；消息中心主要顯示住宅環(huán)境的一些家居狀態(tài)消息，比如當(dāng)住宅發(fā)生火災(zāi)時(shí)傳感器檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)后服務(wù)器會(huì)發(fā)送信息到消息中心顯示，并且手機(jī)根據(jù)消息命令會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警和提醒用戶等；系統(tǒng)設(shè)置主要包括設(shè)置一些用戶權(quán)限和網(wǎng)絡(luò)通信配置。設(shè)計(jì)好的界面如圖8所示。
圖8 登錄及主界面
3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中主要涉及兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)通信，一個(gè)是界面Activity組建與后臺(tái)Service組建間的通信，另一個(gè)是Android客戶端與嵌入式服務(wù)器間的通信。在Android應(yīng)用程序中，Activity主要負(fù)責(zé)前臺(tái)頁(yè)面的展示和用戶指令的接收，Service則主要在后臺(tái)負(fù)責(zé)長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)比如監(jiān)控任務(wù)。移動(dòng)客戶端應(yīng)用程序中數(shù)據(jù)通信架構(gòu)如圖9。
圖9 數(shù)據(jù)通信程序架構(gòu)
在Android中，Activity主要負(fù)責(zé)前臺(tái)頁(yè)面展示，Service主要負(fù)責(zé)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。在圖9中， 參考And roidIPC通信機(jī)制,在Activity中通過Intent啟動(dòng)后臺(tái)Service，Intent中傳遞了Activity從用戶動(dòng)作中接收到的數(shù)據(jù)。Service在后臺(tái)啟動(dòng)后創(chuàng)建一個(gè)Socket服務(wù)子線程與嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，并將服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)通過Binder對(duì)象傳遞給Activity。另一方面，Service在程序登陸后創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)子線程實(shí)現(xiàn)每隔一分鐘向服務(wù)器發(fā)送一次更新數(shù)據(jù)指令，以便實(shí)時(shí)更新主頁(yè)面顯示數(shù)據(jù)。
4 結(jié)束語
本文利用ZigBee數(shù)傳模塊對(duì)智能家居信息進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，將Android客戶端安裝到手機(jī)，并搭建服務(wù)器平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，Android手機(jī)客戶端可以通過無線網(wǎng)對(duì)家居設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且能夠?qū)崟r(shí)接收并顯示住宅環(huán)境信息，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)能夠及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。
本次設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)，采用了當(dāng)下最流行也最實(shí)用的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種方式通用性強(qiáng)，操作便捷，易于安裝推廣，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。達(dá)到了對(duì)家居設(shè)備智能化管理的目的。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)在功能上可以加以改進(jìn)，比如可以在后續(xù)的工作中加入視頻監(jiān)控、智能服務(wù)等內(nèi)容。
2015年3月19日
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目前，物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注，對(duì)此各國(guó)都投入大量的人力物力，掀起了繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。美國(guó)、中國(guó)、歐洲各國(guó)、日本、韓國(guó)等都對(duì)IOT技術(shù)進(jìn)行了大量研究，實(shí)施了很多研究計(jì)劃。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工廠和物流庫(kù)房數(shù)量大幅度增加，且儲(chǔ)存貨物的種類及規(guī)模也日益增大。這給倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)與物品安全管理提出了更高要求。
在這樣的背景下，國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者開展了基于IOT技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)研究。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)只是應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)管理方面，盡管倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)控，但系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能化的要求，特別是在報(bào)警手段和問題處理上主要依賴于人工。因此，直接、準(zhǔn)確、高效的倉(cāng)庫(kù)智能監(jiān)控預(yù)警并及時(shí)處理所產(chǎn)生的問題就成為一個(gè)急需解決的工程應(yīng)用問題。
1系統(tǒng)組成及功能
智能倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、事件處理系統(tǒng)三個(gè)部分，共同構(gòu)成了IOT的感知層、傳輸層和處理層。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)包含IOT的感知層和傳輸層。感知層基于Zigbee數(shù)據(jù)采集傳感器技術(shù)而設(shè)計(jì)，由分布于倉(cāng)庫(kù)中多種傳感器構(gòu)成，用以采集倉(cāng)庫(kù)中的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。傳輸層基于Zigbee數(shù)傳技術(shù)而設(shè)計(jì)，由Zigbee終端節(jié)點(diǎn)、Zigbee路由節(jié)點(diǎn)以及Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的Zigbee無線模塊傳輸網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)據(jù)采集傳感器采集到的倉(cāng)庫(kù)溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee數(shù)傳傳輸層傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)控系統(tǒng)。智能監(jiān)控系統(tǒng)和事件處理系統(tǒng)共同構(gòu)成了IOT的處理層。智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)管理中心計(jì)算機(jī)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能的分析和處理；根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)決定是否通知事件處理系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前發(fā)生的問題經(jīng)行處理。事件處理系統(tǒng)在CIT技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它是智能監(jiān)控系統(tǒng)命令的執(zhí)行者，根據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的命令通過電信網(wǎng)關(guān)自動(dòng)通知倉(cāng)庫(kù)相關(guān)管理人員告知倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)其確認(rèn)后開啟倉(cāng)庫(kù)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，并自動(dòng)撥打119報(bào)火警。系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件包括傳感器、ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)和電信網(wǎng)關(guān)。
2．1傳感器
基于智能系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功用，本系統(tǒng)傳感器包括環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器和火災(zāi)報(bào)警傳感器。對(duì)于庫(kù)房的環(huán)境而言，首先需要關(guān)注的溫度和濕度這兩個(gè)參數(shù)，因此環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)為溫濕度傳感器。按照精度高、低功耗的設(shè)計(jì)原則，溫濕度傳感器采用SHTl0型號(hào)溫濕度傳感器。SHTl0是一個(gè)高度集成的芯片，它將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換和A／D轉(zhuǎn)換等功能集成到一個(gè)芯片上。其主要特點(diǎn)是高精度(測(cè)濕精度±3．5％，測(cè)溫精度±0．50℃)、高可靠性、超低功耗。溫度測(cè)量范圍：一40～123．80℃。接口電路如圖2所示。
圖2 SHT10溫度傳感器接口電路
該傳感器僅僅使用一根線路與Zigbee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)上微處理器的IO端口相連，即可獲得精確的溫、濕度環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)用性極強(qiáng)。為了保證報(bào)警的精確度，本系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警傳感器設(shè)計(jì)為兩種傳感器：火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。火焰?zhèn)鞲衅鞑捎?span lang="EN-US">R2868火焰?zhèn)鞲衅鳎瑹熿F傳感器采用HIS-07離子煙霧傳感器。R2868火焰?zhèn)鞲衅髟诨鹦钱a(chǎn)生瞬問能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)，它可以探測(cè)185到260個(gè)不同的狹窄光譜敏感源。它具有很小的體積和很寬敏感角度，并能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)從火焰被發(fā)出的弱紫外線。HIS一07離子式煙霧傳感器性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類傳感器，對(duì)微小煙霧粒子的感應(yīng)更靈敏，對(duì)各種煙響應(yīng)均衡，報(bào)警響應(yīng)時(shí)問短，且該傳感器體積小，便于安裝。
2．2 Zigbee數(shù)傳節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
Zigbee數(shù)傳節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)和傳遞傳感器采集數(shù)據(jù)的任務(wù)。該系統(tǒng)采用了典型的Zigbee無線模塊傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。Zigbee無線模塊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)為芯片CC2530。該芯片為工業(yè)級(jí)，具有高可靠性、高靈敏度、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器和路由器采用外供電方式。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)用途、要求傳輸?shù)木嚯x(通信范圍)與減低功耗的要求，均采用低功率模塊使用紐扣電池供電。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成的，為了適應(yīng)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的多種變化和位置繁多與實(shí)用高效的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2．3電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)
電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)使用了計(jì)算機(jī)電信集成(CTI)技術(shù)，采用程控交換專用芯片。電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要由模擬中繼接口芯片MY8632TS、DTMF信號(hào)收發(fā)器MT8888組成，其電路圖如圖3所示。其原理是MT8888是具有呼叫進(jìn)程濾波的單片DTMF收發(fā)器，采用CMOS技術(shù)，功耗小而可靠性高。接收信號(hào)部分以標(biāo)準(zhǔn)DTMF接收器為標(biāo)準(zhǔn)，而DTMF發(fā)送器使用開關(guān)電容D／A變換器產(chǎn)生低失真和高精度的16種DTMF雙音頻信號(hào)，用內(nèi)部計(jì)數(shù)器控制突發(fā)模式，因此音信號(hào)能以精確的定時(shí)突發(fā)傳送。MY8632TS為電話接口芯片，MT8632TS可將25 Hz、75 Vrms的鈴流轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的TTL電平的信號(hào)，也具有摘、掛機(jī)功能，并可執(zhí)行2／4線轉(zhuǎn)換功能，便于連接聲卡的入、出口。上述兩個(gè)主芯片的功能使得電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠接收管理中心的上位機(jī)發(fā)出的信息，根據(jù)解讀信息的結(jié)果，發(fā)出指令，控制硬件進(jìn)行電信網(wǎng)相應(yīng)的呼叫操作。
圖3 電信網(wǎng)關(guān)硬件電路
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
管理中心計(jì)算機(jī)軟件通過串口和接協(xié)調(diào)器收端節(jié)點(diǎn)連接。接收并顯示所采集的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了系統(tǒng)的靈活方便，使用Access單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。管理中心計(jì)算機(jī)與溫濕度控制器和滅火控制器相連，可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)的相應(yīng)位置進(jìn)行控制溫濕度變化和消防滅火。管理中心計(jì)算機(jī)軟件通過電信網(wǎng)網(wǎng)關(guān)同電信網(wǎng)相連接，可以通過電信網(wǎng)發(fā)起提醒和報(bào)警呼叫。中心管理機(jī)軟件主要是負(fù)責(zé)將倉(cāng)庫(kù)每天的環(huán)境數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行智能處理，并以圖形和數(shù)字的方式顯示以便查看。溫濕度信息隨上報(bào)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，此外還設(shè)置有煙霧、火焰兩個(gè)報(bào)警燈顯示。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到提醒閾值或火焰、煙霧傳感器有一個(gè)監(jiān)測(cè)到火情時(shí)，智能倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序自動(dòng)向溫濕度控制器發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)倉(cāng)庫(kù)某部分環(huán)境進(jìn)行溫濕度控制調(diào)節(jié)。并同時(shí)通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動(dòng)撥打相關(guān)倉(cāng)庫(kù)管理人員的手機(jī)，用電信網(wǎng)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)物品的告警信息以語音的方式通知相關(guān)倉(cāng)庫(kù)管理人員。但只有當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)火焰、煙霧傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)到火情時(shí)，智能倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序自動(dòng)向滅火控制器發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)倉(cāng)庫(kù)某部分環(huán)境進(jìn)行防災(zāi)滅火操作。并同時(shí)通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動(dòng)撥打相關(guān)倉(cāng)庫(kù)管理人員的手機(jī)，用電信網(wǎng)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)物品的火災(zāi)信息以語音的方式通知倉(cāng)庫(kù)管理人員。告知倉(cāng)庫(kù)管理人員，倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)已經(jīng)智能滅火，可根據(jù)實(shí)際情況看是否需要報(bào)火警，請(qǐng)消防隊(duì)處理。以使災(zāi)害得到及時(shí)處理，減少倉(cāng)庫(kù)財(cái)產(chǎn)損失，而又避免誤報(bào)火情。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)經(jīng)倉(cāng)庫(kù)實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)硬件設(shè)備工作可靠，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。具體的結(jié)果：(1)系統(tǒng)對(duì)庫(kù)房環(huán)境參數(shù)檢測(cè)時(shí)效性良好，溫度的絕對(duì)誤差小于0.5℃C，濕度的絕對(duì)誤差小于3％；(2)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的庫(kù)房火災(zāi)監(jiān)控性能，火焰?zhèn)鞲衅髟跓燁^距離為4m時(shí)報(bào)警；而煙霧傳感器在香煙距離2m時(shí)開始報(bào)警；系統(tǒng)的報(bào)警延時(shí)為6秒；(3)系統(tǒng)表現(xiàn)出自動(dòng)環(huán)境調(diào)控性能，在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)溫濕度超過閾值時(shí)系統(tǒng)給空調(diào)和加濕器發(fā)出信號(hào)，空調(diào)和加濕器均能啟動(dòng)和停止。由于實(shí)驗(yàn)的房問較大，空調(diào)的功率較小并且加濕器只有一臺(tái)，因此系統(tǒng)調(diào)控能力有限。考慮到我們主要是測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試功能，因此這已經(jīng)足夠了；(4)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量影響收發(fā)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。另外，由于庫(kù)房?jī)?nèi)沒有滅火系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的自動(dòng)滅火性能沒有測(cè)試。
5結(jié)論
本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一套智能倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電信網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，可以直接、準(zhǔn)確、高效、可靠的對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫、濕度進(jìn)行智能監(jiān)控，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)滅火和報(bào)警。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制靈活、準(zhǔn)確，有較強(qiáng)的通用性。
2015年3月15日
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LED 具有使用壽命長(zhǎng)、光效高以及低功耗的特質(zhì)，使得它在和傳統(tǒng)照明燈具相比的時(shí)候優(yōu)勢(shì)明顯。與此同時(shí)，近年來電力資源持續(xù)缺乏，國(guó)家一直在提倡節(jié)能環(huán)保、營(yíng)造“綠色低碳”生活，LED 必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。
LED 的半導(dǎo)體器件的特性，使其在智能照明控制方面有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可以完美實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的調(diào)光調(diào)色、靈活設(shè)置、分組管理、狀態(tài)查詢和故障報(bào)警等功能，可以更加人性化的滿足使用者的要求，實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能，有效地降低照明工程的維護(hù)成本。LED 照明走向智慧化已經(jīng)成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
“十二五”規(guī)劃，國(guó)家確定了七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，而節(jié)能環(huán)保是其不變的主題。鴻雁電器積極響應(yīng)國(guó)家發(fā)展政策，朝著智能、節(jié)能、綠色環(huán)保方向發(fā)展。基于鴻雁電器本身強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品矩陣，LED 產(chǎn)品依靠引進(jìn)的主流設(shè)備及技術(shù)，跨界融合光電與信息產(chǎn)業(yè)科技，將智能化控制系統(tǒng)與LED 照明產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)造性地融合，為用戶提供更低耗、更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的LED 智慧照明系統(tǒng)解決方案。
1 現(xiàn)狀分析
目前，普通家庭照明采用的基本是采用電工開關(guān)+傳統(tǒng)燈具的模式，這種模式已延續(xù)幾十年，并且已經(jīng)成為人們的使用習(xí)慣，很難被改變，這種傳統(tǒng)方式相對(duì)簡(jiǎn)單、有效、直觀。但是，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)分散，無法實(shí)現(xiàn)有效的管理，其適時(shí)性和自動(dòng)化程度太低，已經(jīng)無法滿足人們對(duì)照明的高效控制和功能多樣化的需求。
20 世紀(jì)90 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，辦公自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化的出現(xiàn)，人們對(duì)照明控制提出了更高的要求，從而產(chǎn)生了智能照明控制方式。所謂智能照明控制，就是根據(jù)某一區(qū)域的功能、每天不同的時(shí)間、室內(nèi)外亮度或該區(qū)域的用途來自動(dòng)控制照明設(shè)備，并能夠?qū)崿F(xiàn)集中統(tǒng)一管理與監(jiān)控的功能，并結(jié)合現(xiàn)代照明技術(shù)和照明藝術(shù)，科學(xué)地管理照明設(shè)備，讓人們?cè)谝粋€(gè)不僅照明技術(shù)參數(shù)指標(biāo)方面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且舒適、明亮并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境里工作和生活。
從智能照明控制系統(tǒng)的組成方式看，主要有總線型、電力線載波型、無線網(wǎng)絡(luò)型等。市場(chǎng)上主流的系統(tǒng)主要有：KNX/EIB、ABB i-bus 系統(tǒng)、邦奇Dynet 系統(tǒng)、Philips 的DALI 總線、日本松下的HBS 總線、奇勝C-Bus 系統(tǒng)、Control4 以及X-10 的電力線載波系統(tǒng)等。上述系統(tǒng)的布線方式和傳統(tǒng)電工布線規(guī)范都是不同的，而且這些系統(tǒng)價(jià)格高昂、設(shè)計(jì)復(fù)雜、維護(hù)成本高，不是一般用戶能夠承受的。
因此，結(jié)合LED 照明的發(fā)展趨勢(shì)和智能照明控制的現(xiàn)狀，運(yùn)用目前主流的ZigBee無線模塊組網(wǎng)技術(shù)，研制開發(fā)的LED 智慧照明控制系統(tǒng)將大大滿足人們對(duì)照明智能化、節(jié)能化以及人性化的需求。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
基于ZigBee無線模塊 的LED 智慧照明控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成：WiFi無線局域網(wǎng)和ZigBee數(shù)傳無線個(gè)域網(wǎng)。
WiFi 局域網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)LED 智慧照明控制系統(tǒng)與智能終端（如智能手機(jī)、智能Pad 等）的互聯(lián)互通，通過智能終端可以方便控制和管理系統(tǒng)；ZigBee 數(shù)傳個(gè)域網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)所有驅(qū)動(dòng)模塊與控制設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)之間的互聯(lián)互通，是LED 智慧照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)絡(luò)。
系統(tǒng)產(chǎn)品遵循統(tǒng)一的交互協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)不同控制器控制一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，一個(gè)控制控制多個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，以及各種情景模式的設(shè)置與控制，結(jié)合照度自適應(yīng)功能，可適應(yīng)多種領(lǐng)域，如辦公、家庭等，達(dá)到智能、節(jié)能的效果。
3 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
(1) 低成本：數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本，且無需繳納專利費(fèi)；
(2) 超低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5 號(hào)干電池可使用6 個(gè)月到2 年；
(3) 穩(wěn)定性高： 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)提供高冗余通信路徑，CSMA/CD 技術(shù)和確認(rèn)機(jī)制確保了網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性；
(4) 組網(wǎng)簡(jiǎn)單：自組網(wǎng)和自動(dòng)路由功能使得網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和維護(hù)變得十分容易；
(5) 高安全性：提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用通用的AES-128 位加密算法；
(6) 兼容性：開放的標(biāo)準(zhǔn)使不同供應(yīng)商的產(chǎn)品可以很容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；國(guó)際通用的免費(fèi)頻段使產(chǎn)品準(zhǔn)入更為簡(jiǎn)單；(
7) 響應(yīng)速度快：針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短；
(8) 網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持管理多達(dá)65535 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
4 系統(tǒng)特點(diǎn)
4.1 低成本、易安裝
傳統(tǒng)的智能照明控制解決方案需要預(yù)先布置大量的通信線纜，既影響美觀又增加了施工的難度，特別是對(duì)已完成裝修的家庭來說，重新布線需要破壞原有的裝修環(huán)境，在很大程度上也增加了部署的成本。
本系統(tǒng)采用領(lǐng)先的ZigBee無線模塊通訊技術(shù)和創(chuàng)新的安裝方式，如圖2 所示，無需在設(shè)備間額外安裝通訊電纜，無需更換傳統(tǒng)的開關(guān)，只需安裝在燈具上，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、窗簾等電器的ZigBee數(shù)據(jù)采集和智能控制，任何一個(gè)非專業(yè)的電工都能安裝。
圖2 不同布線方式的安裝方式
4.2 自組網(wǎng)，免調(diào)試
本系統(tǒng)采用了ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使無線信號(hào)可以在設(shè)備之間自動(dòng)路由，從而使得通信網(wǎng)絡(luò)不受點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離局限而覆蓋整個(gè)屋子。系統(tǒng)構(gòu)建無需調(diào)試，系統(tǒng)上電自動(dòng)組網(wǎng)，任何新加入的設(shè)備都能夠自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，無需額外配置。
4.3 高可靠，易維護(hù)
本系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備均配置獨(dú)立的CPU 和存儲(chǔ)器，配置信息均保存在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，即系統(tǒng)中任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關(guān)的功能失效，而不影響網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的正常運(yùn)行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系統(tǒng)的容錯(cuò)水平。
4.4 隨時(shí)隨地的多種控制方式
本系統(tǒng)多種集中控制方式，包括機(jī)械開關(guān)、觸摸液晶屏、遙控器、智能手機(jī)、智能Pad 等，用戶可以根據(jù)家居的環(huán)境和應(yīng)用的場(chǎng)合自由選擇控制的方式。通過安裝LED 調(diào)光模塊，傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)LED 燈具亮度調(diào)節(jié)。iPhone、iPad 以及Android 手機(jī)只需下載安裝控制軟件，通過簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 照明系統(tǒng)的控制和管理。
5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
5.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)采用透明傳輸?shù)姆绞剑煽蛻魴C(jī)發(fā)送控制指令，從節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收指令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以及反饋執(zhí)行后的狀態(tài)，降低了以往智能系統(tǒng)主機(jī)高度集成帶來的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)配有WiFi 模塊和ZigBee數(shù)傳模塊，WiFI 模塊可通過無線路由器與智能終端設(shè)備連接，ZigBee 模塊實(shí)現(xiàn)控制模塊之間的無線組網(wǎng)。
ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 ZigBee/WiFi 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)
從節(jié)點(diǎn)選用采用意法半導(dǎo)體推出的高性能雙串口8位單片機(jī)STM8S105k，存儲(chǔ)器有EEPROM 芯片AT24C02組成。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)配有ZigBee 無線通信模塊與網(wǎng)關(guān)連接，實(shí)現(xiàn)命令控制和數(shù)據(jù)的傳輸。從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
圖4 從節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
5.2 電源模塊LNK304 是PI 公司推出的一款高效離線式開關(guān)電源芯片。
LNK304 在一個(gè)IC 上面集成了一個(gè)700V 的功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的開/ 關(guān)控制電路、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期的電流限制及過溫保護(hù)。器件在啟動(dòng)及工作期間的功率消耗直接由漏極引腳的電壓來提供，因此，在BUCK 及反激式控制器中可節(jié)省偏置供電的相關(guān)電路。
LNK304 用來替代輸出電流小于360mA 的所有線性及電容降壓式非隔離電源。其系統(tǒng)成本與所替代的電源相等，但性能更好、效率更高。電源模塊電路原理如圖5 所示。
圖5 電源模塊電路原理
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
6.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用C/S 模式，在智能終端上安裝客戶端應(yīng)用軟件，驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為服務(wù)器，客戶端實(shí)時(shí)訪問、控制和設(shè)置服務(wù)器。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)作為TCP/IP 與ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用層協(xié)議不進(jìn)行任何處理，直接透?jìng)鳌Ｏ到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6 所示。
圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
軟件通信流程如圖7 所示。系統(tǒng)軟件作為客戶機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊作為服務(wù)器，客戶機(jī)按照通信協(xié)議發(fā)送具體的控制和設(shè)置指令，由驅(qū)動(dòng)模塊直接接收和處理相應(yīng)的指令，并且將ZigBee數(shù)據(jù)采集信息反饋信息到客戶機(jī)。
圖7 系統(tǒng)軟件通信流程
6.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
ZigBee 協(xié)議棧是在IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC 和PHY 層。
ZigBee數(shù)傳設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF 射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的PHY 和MAC 層，以及ZigBee 堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。
6.3 系統(tǒng)管理界面系統(tǒng)管理完成的主要任務(wù)有：設(shè)備管理，包括添加和刪除設(shè)備；房間管理，包括添加和刪除房間，以及房間內(nèi)的設(shè)備和常用場(chǎng)景；主界面設(shè)置，包括主界面常用場(chǎng)景設(shè)置、個(gè)性化設(shè)置等；設(shè)備同步，可實(shí)現(xiàn)不同終端設(shè)備之間配置信息的同步；主機(jī)設(shè)置，可對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)IP地址進(jìn)行設(shè)置等。系統(tǒng)管理界面如圖8 所示。
圖8 系統(tǒng)管理界面
6.4 系統(tǒng)控制界面
系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的主要功能是：房間選擇，可以選擇各個(gè)房間，查看和控制房間內(nèi)的設(shè)備；單獨(dú)控制，針對(duì)房間內(nèi)的設(shè)備可以進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、調(diào)色溫、調(diào)色彩、窗簾開關(guān)等功能；場(chǎng)景控制，根據(jù)用戶的預(yù)設(shè)，在房間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)一鍵式場(chǎng)景控制；個(gè)性化圖片顯示，通過系統(tǒng)設(shè)置可以在房間內(nèi)顯示不同房間的圖片。系統(tǒng)控制界面如圖9 所示。
圖9 系統(tǒng)控制界面
7 結(jié)語
本文使用用ZigBee 無線模塊構(gòu)建了LED智慧照明系統(tǒng)。它利用ZigBee數(shù)傳模塊進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集傳輸，可以充分發(fā)揮LED 數(shù)字化照明的優(yōu)勢(shì)，對(duì)推動(dòng)LED 進(jìn)入家居市場(chǎng)有著很重要的作用。目前正是發(fā)展LED 智慧照明系統(tǒng)的最佳時(shí)機(jī)，它將是LED改革浪潮的下一波新的增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)于促進(jìn)LED 照明的發(fā)展、推對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)有著重要的意義。