（电子科学与技术专业论文）基于simpliciti协议的无线照明节能控制系统.pdf

硕： j 学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m yh a sc a u s e dag r e a td e a lo fe n e r g y c o n s u m p t i o n ，i nt h ec u r r e n te n v i r o n m e n to fs t r a i no nt h er e s o u r c e s ，u s i n gas i m p l y e f n c i e n t ，l o wc o s t ，u l t r a l o wp o w e rd e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m ea t r e n do fd e s i g n i n ge n e r g y - s a v i n g l i g h t i n g t h ep a p e rd e s i g n sa ni n t e l l i g e n tc o n t r o ie n e r g y - e f f i c i e n tl i g h t i n gs y s t e m sw h i c h b a s e do nt h es i m p l i c i t ip r o t o c o lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h i sp a p e r ，a n a l y s i s e s t h ep e r f o r m a n c e sa n df u n c t i o n a l i t i e so ft h e1 i g h t i n gs y s t e m ，a sw e l la si n d e p t hs t u d y t ot h e s i m p l i c i t ip r o t o c o l - b a s e d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c s ；t h e n ， d e t e r m i n e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h e s y s t e ma n dt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l so ft h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ea n dd a t a b a s e s t r u c t u r e ；f i n a l l y ，c o m m e n c e sa ni n t e l l i g e n te n e r g y - s a v i n gl i g h t i n gs y s t e mu n d e ra n e wf r a m e w o r k t h ep a p e rs e l e c t sm s p 4 3 0m c ua n dc c 2 5 0 0 r fc h i p sw h i c h p r o d u c e db yt ia n d t h e i rp e r i p h e r a lc i r c u i t sa st h e1 i g h t i n gs y s t e mh a r d w a r ec o r e g a t e w a yc o o r d i n a t o r h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ec c 2 5 0 0w i r e l e s sm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h e h o s tc o m p u t e r ，t h ed o w n l o a d e d d e b u g g i n gi n t e r f a c ea n de 2 p r o ms t o r a g ec i r c u i t d e s i g n ； t h eh a r d w a r e d e s i g no f t h ei n f b r m a t i o nc o l l e c t i o nc o n s i s t st h r e e s e n s o r m o d u l e s t h ei 1 1 u m i n a t i o n ，b o d ys e n s o r s ，i n f r a r e ds h o t ；t h e1 a m pc o n t r o l l e r sh a r d w a r e d e s i g ni n c l u d e sl e dd r i v e rc i r c u i ta n dt h ep w md i m m i n gc o n t r o lc i r c u i t t h ep a p e rc o n s t r u c t st h eh o s tc o n t r o lc o m p u t e rs o f t w a r ea n dd a t a b a s e s ，d i s p o s e s t h ec o l l e c t e di n f b r m a t i o nb yu s i n gt h ef h z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o la l g o r i t h m ，a n d c o m p l e t e st h ei n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r 0 1 g a t e w a yc o o r d i n a t o rc o m p l e t e s ，b ys o f t w a r ed e s i g n ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n w i r e l e s sn e t w o r k i n ga n dt h eh o s tc o m p u t e ri nl i g h t i n gs y s t e m ；i n f o r m a t i o nc 0 1 l e c t o r u s e st h em o n i t o r i n gp o i n tp 0 1 1 i n gm e c h a n i s mt oc o l l e c tt h en e e d e dd i g i t a lo ra n a l o g i n f o r m a t i o n s ； 1 i g h t i n g c o n t r o l l e rs w i t c h e sm u l t i - c h a n n e l g a t i n gc o n t r o lo ft h e b r i g h t e s tl e dl i g h t ，a n dc o n t r o l st h el e db yt h em i c r o c o n t r 0 1 l e rt og e n e r a t et h e p w m s i g n a l w i t ht h e6 e l ds i m u i a t i o na n ds o f t w a r es i m u l a t i o nt e s t i n gf o re a c hs y s t e mm o d u l e ， t h ep a p e ri n i t i a l l yv e r i n e se a c hp e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m ，m a k e st h er fn e t w o r kt o r e a c has e a m l e s sr e a l t i m ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nl e v e l ，a n dt om e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so fd a t ac 0 1 l e c t i o na n dl i g h t i n gc o n t r o l ，p r o v e st h a tt h es y s t e md e s i g ni s f e a s i b l ea n ds a t 、e 基于s i m p lic i t i 协议的无线照i w 节能控制系统 k e yw o r k ：e n e r g y e f n c i e n tl i g h t i n gs y s t e m s ； w s n ；s i m p l i c i t i ；c c 2 5 0 0 ；d i m m i n g c o n t r o l j v 硕 ：学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 近年来，随着我国经济的迅猛发展，能源消耗巨大、资源供应紧张的问题日 益突出。这种以资源和环境为代价的经济增长方式与可持续性发展要求背道而驰。 随着国家节能法的颁布实施和我国“十二五”规划的要求，能源节约已纳入社 会可持续发展战略的重要内容。照明作为日常生产生活中所不可缺少的部分，是 一项重要的能源消耗。因此节能照明系统的开发应用已经成为社会发展的必然趋 势。在能源供应紧张，资源成本飞速增长的大环境下，照明节能成为了政府、科 研机构和其他组织的共识，科研与经济前景十分广阔。目前，国外已有多种性能 优良的照明节能系统方案，我们应当以此为参考，结合我国的实际情况，来开展 智能照明节能系统的研究，达到提高照明效率与降低能源消耗的目的【l 】。 传统的照明系统采取手动开关模式，利用照明灯具电气回路中配置的恒亮开 关元件和可调光开关元件，实现照明灯具的开关和光照度控制。这种控制方式简 便、有效，是目前最常用的灯光控制方式。但是该方式过于依赖人的行为，控制 分散且不能有效管理。它带来的电能浪费是显而易见的。 随着技术的发展，研究人员开发了多种利用传感器和智能控制器件组成的照 明节能系统，减少了对人的依赖。在节能降耗上取得了显著的效果。但是不难发 现，这些节能照明系统仍存在着以下缺点【2 j ： ( 1 ) 基础设施建设成本高。系统中每一盏灯具都需要配备相应的传感器，一 套智能灯具需要的成本是非智能灯具的很多倍，且自身能量消耗较高。 ( 2 ) 系统孤立。现在很多智能控制灯具采取的都是一盏灯具配置一套传感器， 灯具之间相互独立，自成体系。 ( 3 ) 控制模块及传输网络重复建设。由于照明系统自成体系，布线复杂，无 法与其他区域内智能化控制系统实现网络融合，造成了更大的资源浪费。 基于以上分析，随着电子技术和网络技术的飞速发展，人们开始研究开关控 制照明系统的智能化改造，对其独立的系统体系进行了网络化设计，实现各系统 的信息传输，各种智能化照明控制方式由此产生。 1 2 智能照明研究现状及发展趋势 1 2 1 智能照明研究现状 智能照明是指利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计 算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥 基于s i m p lici t i 协议的无线照明节能控制系统 讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制。具有灯光亮度的强弱调节、灯光 软启动、定时控制、场景设置等功能；并达到安全、节能、舒适、高效的特点。 现代意义上的智能照明系统的前身是舞台照明控制系统1 3j 。早在1 9 8 6 年，美 国影视剧场技术协会( u s i t t ) 下属工程委员会开始制定d m x 5 1 2 协议一种控 制照明设备和附件的数字式传输标准，正式文本于19 9 0 年发布。在此基础上衍生 出的a c n 协议和a r t - n e t 协议，都在智能照明控制领域中具有较大影响。随后， 国际上一些专业厂商已经开始投入大量资金研究设计基于上述标准的照明控制系 统，并开发多种出符合协议的智能照明产品。伴随着智能家居和楼宇自动化的提 出与发展，智能照明系统的应用领域也随之从舞台灯光控制延伸至各类室内照明 控制领域，其控制范围已经从单独区域扩展到整个楼层，乃至控制多幢大楼。智 能照明系统的控制方式也从最先的统一集中控制，发展为集散控制和分布式控制。 特别是对于分布式控制方式的研究，使得智能照明系统的应用得到了实质性的提 升。随着这些新技术的出现，针对建筑物照明的专用协议也成为各大厂商研究的 目标，成熟方案陆续推出。这类协议都有其各自的特点，也促成了智能照明领域 激烈的竞争。根据这些协议的研发背景和功能特点，可分为以下几大类：一类是由 专门的灯光设备制造商独立研发的，如d y n a l i t e 公司的d n y e t 协议和澳大利亚 c l i d s a l 公司的c b u s 协议，以及美国路创公司的l u t r o n 灯光控制技术协议等； 一类是智能控制系统的灯光控制子系统等，如x 1 0 电力载波通信协议和e i b ( 电 气安装总线e l e c t r i c a li n s t a l l a t i o nb u s ) 协议，这些出自智能家居协议中的灯光控制 部分；还有一类是由某一领域的厂商联合起来，专门制定的照明系统协议，如d a l i 协议等。这些协议分别在不同应用领域中具有一定的优势，也拥有相应的市场， 造成了无法在短期内实现不同智能照明控制系统使用一种通用协议。在今后相当 长的时间内，鉴于技术发展的不可预见性及市场趋势的不可预知性，多种协议将 继续共存、借鉴和融合，如同工业控制领域有3 0 0 多种现场总线标准，而其中2 0 多种常用标准长期共存一样【4 j 。 智能照明控制系统在进入上世纪9 0 年代以来，受技术水平、消费意识、产品 价格、市场环境等因素的影响，发展一直处于停滞不前的状态。在国外，智能照 明系统只是作为智能系统的附属产品来开发，定位过于高端，过高的成本限制了 其在日常生活中的广泛应用。在国内，智能照明控制系统推广力度非常小，加之 人们受传统消费意识思维的影响，智能照明控制系统应用范围十分有限，导致大 部分科研机构及相关制造厂商都不愿意投入过多的资源和精力【5 j 。 目前市场上占据主流的几种智能照明控制系统，其研究的重点主要放在控制 方法上。包括实现预定方案的全面化和自动化控制；实现灯具的无线连接；实现 控制协议的最优化。这种相对孤立的研究造成了对照明效果这个关键参数的忽视， 并存在以下几个问题【6 j ： 硕l 学位论文 1 ) 性价比考虑不够。控制协议不是越先进越好，而是依照综合性能要求，同 时考虑制造使用成本。在实现了智能控制的基础上，具备一定的性价比，容易被 用户接受。 2 ) 缺乏景观效应。设计人员没有充分考虑到照明区域的照明需求，无法满足 日常的生活中存在的无法预测的情形，需要考虑在尽可能多的根据照明区域实际 情况设置方便用户使用的场景外，增加用户设置功能，当出现用户想要保留的景 观效应等场景设置时，可将当前设置保存为场景方案。 3 ) 不注重照明效果。大多数智能照明控制系统只注重对灯具的开关进行控制， 对如灯具的明暗，景观效果以及节能方法投入不足。 4 ) 标准不统一。智能照明控制系统至今没有统一的标准，缺少一个兼容性强 的、规范统一的协议将其与其他智能系统融合起来。 1 2 2 智能照明研究发展趋势 智能照明控制系统是信息时代的产物，其以计算机和网络技术为核心，并且 与照明区域环境相结合，因此具备安全、舒适、高效的特点，其发展趋势主要有 【7 】： l 、标准的统一。系统必须具备一个统一的接口标准，以实现系统中各种设备 的无缝实时连接，不同厂家生产的设备能够很好地实现兼容互接。 2 、以人为本。以人的需求为系统设计首要目标，系统功能更加人性化。如人 们能按照自己的想法和需求控制灯光的色彩、亮度、灯具动作等属性，从而提高 人们生活品位，打造一个优越的生活环境。 3 、网络无线化。除了灯具电源驱动线路外，系统各线路控制通信网络使用无 线形式代替有线连接，可显著节省有线网络复杂繁琐的布线过程，节约系统建设 成本。 4 、嵌入式系统的应用。利用嵌入式系统功能强大、体积小、应用灵活、高度 集成化的特点，将嵌入式系统应用于灯具的智能控制中，可实现照明区域灯具的 高度智能化控制，提高系统能源使用效率。 5 、具备可扩展性。系统设计采用模块设计思想，并尽量选用标准的接口器件， 为系统将来的扩展与升级预留下扩展端口，实现多种智能系统的融合【8 1 。 采用智能控制的照明系统可有效减少电能消耗。通常，在宾馆、商店、住房 等应用智能控制照明技术也可节约2 5 3 0 的电能；在办公楼、工厂、教室应 用的节能效果可达4 0 左右。 基于s i m p li c i t i 协议的无线照明节能控制系统 1 3 无线传感器网络概述及发展趋势 1 3 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是近年来热门的技术应用。它 不但克服了以往有线网络冗杂的缺点，为现有的传感器网络提供了新的应用方案； 也为将来的新型网络时代物联网时代，提供了可靠的技术支持。基于无线传感 器网络构架的智能照明节能控制系统就是利用先进的无线传感器网络，结合其信 息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等 先进技术，建立起一种大范围、全方位、实时、准确、高效的城市照明节能控制 系统。其目的是使人与照明和谐统一，极大地提高能源利用率一j 。 在无线传感器网络中，节点通过人工布置、机械撒布等方式部署在感知对象 的内部或者周围，这些节点通过专门的网络协议，以自组织的方式构成无线网络， 互相协作采集和处理网络监测区域内的某些特定传感信息，实现对监控地点的信 息实时数据采集、传输和分析。这种自组织形式的无线网络通过多跳中转方式， 将终端节点的数据传送到中心节点和网关节点，最后通过互联网、移动通信网或 者其他专用网，将整个区域内的数据传送到上位机以进行集中分析处理。无线传 感器网络中绝大多数的节点只有小范围的通信能力，而网关中心节点和中继节点 则具有较大的通信范围。 无线传感器网络将原来基于总线技术的数据采集单元和无线控制单元按需求 分成多个独立功能节点，并通过网关协调器，与上位机的上位机实现无线通信。 这种模式下构建的系统，省去了繁琐的有线布线过程，更适用于各种复杂应用环 境。 1 3 2 无线传感器网络发展趋势 随着信息技术的发展和无线传感器网络研究的不断深入，一种新的网络概念 物联网( t h ei n t e r n e to f t h i n g s ) 催生而出【9 l 。物联网起初是以互联网为基础和 核心，并在此基础上扩展和延伸出来的一种新型网络。物联网的应用端包括任何 事物和事物之间的信息传输通信，通过其实现智能化识别和可管理网络。国际电 信联盟( i t u ) 对物联网的涵义进行了扩展，即信息与通信技术的目标已经从任何时 间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了 物联网。物联网包括：传感器与传感器网络、信息处理与计算、以及高速可靠的 公共网络承载等几个部分。物联网在体系结构上可分为感知、网络和应用三个层 次。感知层完成物品的信息获取，即通过各种传感设备采集数据信息；网络层完 成信息的传递、融合和处理，；应用层则与行业需求结合，实现广泛的智能化应用 1 ( 叼 4 颁l 学位论文 早在19 9 9 年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出l l ，“传感网是下 一个世纪人类面临的又一个发展机遇”；2 0 0 3 年，美国技术评论提出传感网 络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首【1 2 】；2 0 0 5 年，在突尼斯举行的信 息社会世界峰会( w s i s ) 上，国际电信联盟( i t u ) 发布了i t u 互联网报告2 0 0 5 ： 物联网，正式提出了“物联网 的概念。报告指出：无所不在的“物联网”通信 时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特 网主动进行信息交换。射频识别技术( r f i d ) 、传感器技术、纳米技术、智能嵌入 技术将得到更加广泛的应用。中国在“物联网”发展进程中起步较早，研发水平 领先【l3 l 。国家中长期科学与技术发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 和“新一代宽带移动 无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。传感器网络标准工作组 组长、上海微系统所副所长刘海涛表示，我国的技术研发水平已处于世界前列。 中科院早在l0 年前就启动了传感网研究，先后投入数亿元，目前，中国与德国、 美国、英国、韩国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一【l4 1 。目前，我 国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采 纳。 1 4 本文主要研究内容和结构 基于s i m p l i c 汀i 协议的无线照明节能控制系统，适用于如工厂、家居、楼宇和 隧道等小型化照明系统，实现了在照明系统无线智能化下的节能优化。这个系统形 成的构架，不仅适用于照明系统，也为其他的小型无线传感网络智能化系统提供 了技术依据，本文工作具有一定的通用性。设计施工人员可根据本设计，结合工 程实际情况，设计出合适的无线照明节能控制系统。 在论文的研究与撰写过程中，通过完成s i m p l i c 汀i 协议无线传感网络的a p 节点与e d 节点的之间的通信协议设计、a p 节点与上位机的通信、网络各节点的 硬件设计、上位机控制监测软件设计和各项相关测试。实现了该网络传输的实时 稳定和系统集中智能化控制。 本文的主要内容和章节安排如下： 第一章：分析了论文选题背景及其意义，探讨了智能照明的研究现状，并分 析了其发展趋势；介绍了无线传感网络，并对其将来在物联网中的应用做了分析。 第二章：通过分析系统设计说需达到的功能与性能要求，提出了系统设计的 各个组成部分。确定了照明系统硬件设计的三部分构成，并对每部分的设计要求 进行分析。通过对多种主要的短距无线通信技术的对比，确定s i m p l i c 汀i 协议的 r f 无线网络的优势。在此基础上，通过深入研究s i m p l i c 汀i 协议，了解协议的工 作机制与节点设置。构建了感知层网络通信网络，实现网络协议的星形组网，并 实现上位机与照明控制器的通信，实现控制数据与采集数据的实时无缝传输。 基于s i m p l i c i t i 协议的无线照明节能控制系统 第三章：照明控制器硬件设计。照明控制器所有组成部分采用以t i 公司的 m s p 4 3 0 单片机和c c 2 5 0 0 射频芯片作为硬件核心。m s p 4 3 0 系列超低功耗单片机 作为各节点的控制器，减轻了c c 2 5 0 0 片内的m c u 资源负担，提供了更多的i o 接口来驱动外围电路，实现多路传感器的数据采集，提高了无线传输的可靠实时 性。c c 2 5 0 0 在硬件上完全支持s i m p l i c 汀i 协议，实现简单灵活的网络调配。网关 协调器，不同的灯具控制方式设计了相应的智能控制电路。 第四章：针对整个系统的进行软件设计。整个系统的智能控制与数据监控由 上位机统一集控。上位机远程由集控软件合数据库组成。通过模糊神经网络控制 算法对采集信息进行分析，得出控制信号。网关协调器通过r s 2 3 2 接口程序设置， 实现照明网络与上位机的通信；依据s i m p l i c 汀i 协议，对r f 无线网络各节点进 行配置，编写通信程序实现了对照明系统所需数据的实时采集与控制数据的实时 传送。通过对信息采集器与灯具控制器的控制软件设计，实现了控制信息的实时 采集与l e d 的智能可调光控制。 第五章：对系统设计进行了模拟分模块测试。测试了s i m p l i c i t i 网络组网功 能，及各节点的功能测试。并通过模拟仿真，对控制效果进行了测试。 总结与展望：对该系统设计作了总结，分析该系统的特点和存在的问题，并 展望了该系统的应用前景。 6 顾：l ：学位论文 第2 章无线照明控制系统总体设计 2 1 系统设计要求 本文设计的无线照明节能控制系统，其功能要求主要概括为以下几点【l5 j ： 1 智能化系统控制。照明系统控制结果将直接被人眼感觉到，强烈的灯光会 使人产生不适，而微弱的灯光会使视线模糊。没有较为精确的控制，该系统产生 的效果适得其反。实现对照明系统的智能控制，使其在达到照明效果的同时，降 低系统2 5 3 0 的电能消耗。对照明区域影响照明的各种因素如光照度、人体车 辆活动情况等进行采集，结合对照明质量标准的要求，按照合适的控制算法，得 出一个最优控制结果。 2 无线化系统网络。建立可靠而稳定的无线通信网络，使照明控制信息能实 时准确的传输。通过无线网络的建立，省去大量复杂的有线网络布线工作，节约 大量的成本及空间。但无线通信网络的抗干扰性低于有线网络，并且信号的调制 解调过程更为复杂。要做到实时无缝信息传输，无线网络需具有较强的稳定可靠 性。 3 超低功耗系统硬件。照明灯具无处不在，是基础设施建设中最为常见的系 统。系统设计尽量使用具备高性价比的元器件，不加重建设经费消耗。同时注重 系统本身的能量消耗，尽量选用超低功耗元器件。相对于传统照明系统，本设计 为了达到智能控制的要求，加入了相关控制电路。做到尽量减少电能损耗，延长 电池供电节点的使用时间。 4 集中化统一监控。该系统采用统一集中控制，并基于无线传感器网络构架， 可以成为许多中小型照明系统所使用的模板式结构。设计应实现对系统的全面集 控，并能融合其他可采取相同构架的智能控制系统。 5 系统运行安全可靠。作为一个由多个模块组成的自动控制系统，特别是与 生产生活密切相关的系统，可靠性是最重要的一个指标。系统运行稳定，对各种 控制条件均可达到智能控制目的，充分考虑各部分本身与各部分之间的工作可靠 性，保证系统长时间运行在无故障状态，才能使用户放心使用。通过进行数据采 集，无线组网及照明控制效果测试，检验系统控制的可靠性。保证其成为照明节 能控制系统的一个较好的模式。 6 方便灵活的系统设置。无线照明节能控制系统最主要的目的是对人们日常 生活生产中的照明灯具进行智能节能控制。系统的设计应以实用性作为设计的出 发点，在保证照明质量、提供舒适的照明环境以及特定的景观与安全效应的基础 上，在实现对其节能智能控制。本系统设计针对的是中小型照明系统，在如家居、 基于s i l n p l i c i t i 协议的无线照叨节能控制系统 停车场、工厂、办公楼及隧道等照明环境下具有通用性，并可与其他同区域的智 能控制系统相融合。系统维护人员可以在上位机上对系统实施监控，并在必要时 刻启动手动控制。整个系统配备统一通用的调试接口，方便调试人员对其进行维 护与升级 16 1 。 2 2 系统构成 如图2 1 所示，无线照明节能控制系统分成感知层照明系统与应用层上位机 两部分。按照照明区域的具体情况，选用合适的网络层传输方式实现两者的数据 与信息的传输。远距离控制，如隧道、道路可采用g p r s 等远距离无线传输技术； 而在工厂、写字楼等中段距离可采用w i f i 等近距离无线传输技术；而在智能家 居等短距离直接可用有线串口实现连接。 应用层 网络层 感知层 图2 1 系统整体结构框图 2 2 1 系统硬件部分 系统中的硬件设计主要包括网关协调器器、信息采集器与灯具控制器的设计。 系统各部分的硬件设计同意采取t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机与c c 2 5 0 0 r f 芯片 作为控制核心，配以相关的外围电路。使整个系统硬件具备超低功耗的特点，并 可以完美支持s i m p l i c i t i 协议。 照明系统硬件构成可分为三个部分。 第一个是网关协调器，其作为系统的数据中转中心( d a t ah u b ) ，其通过网络 层通信网络实现与上位机的通信，实现不同通信方式的数据中转；s i m p l i c 汀i 网 络协议中规定在一个该协议网络中，只能存在唯一的接入( a p ，a c c e s sp i o n t ) 节 硕二l 学位论文 点，并必须处于始终开启状态，负责网络地址与连接标识符的管理。 第二个部分为控制信息采集器，通过放置该节点与照明区域相关信息采集点， 实现对控制所需采集信息的采集。信息采集器通过设计光敏传感器电路、热释电 传感器电路、红外对射传感器电路等实现对光照度、人体活动及车流情况的信息 采集。灯具模块设置多个i o 扩展口，可同时控制多路灯具的开关与亮度。 1 ) 光照度采集分析 光照度是衡量拍摄环境的一个重要指标。光照度，即通常所说得勒克斯度 ( 1 u x ) ，其符号为e ( e v ) ，单位为勒克斯( 符号l x ) 表示被摄主体表面单位面 积上受到的光通量。1 勒克斯相当于1 流明( 1 m ) 平方米( m 2 ) ，即被摄主体每 平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1 烛光的光源，垂直照射的光通量【1 7 】。 光照度的数学表达式2 1 如下： b = 等 ( 2 1 ) 9 幽 lz l ， 昵，：光通量。 a ：面积。 要实现节能照明，减少电量的消耗，充分利用自然光成为最有效的手段【1 8 】。 自然光的光照度与灯具所处区域、天气状况、时间和建筑设计都有很大关系。 2 ) 人体感应分析 人体活动情况是决定照明灯具的开关及位置的重要依据。因此需要检测一个 区域内被人体活动情况，以控制相应区域的照明灯具开断。如果该区域处于有人 体活动时才打开灯具，当有人体活动时时，保持照明灯接通；相反地，当无人体 活动时时，断开照明灯，并设置一定的关断延时。过去的有研究表明照明控制使 用人体感应传感器的使用可以减少3 0 的电能消耗。市场上有两种可用于检测人 体活动状况传感器，分别是超声波( u s ) 运动传感器和红外( i r ) 运动传感器【1 9 】。 超声波传感器利用超声波的特性研制而成。超声波是一种机械波，其振 动频率高于声波。超声波由换能晶片在一定电压的激励下发生振动而产生， 它具有波长短、频率高、绕射现象小，而且特别具备方向性好、易成为射线 并进行定向传播等特点。超声波具有很强的对固体、液体的穿透本领，特别 是在不透阳光的固体中，其穿透深度可达几十米。超声波碰到分界面或杂质 就会产生显著反射成回波，在碰到活动物体时能产生明显的多普勒效应【20 1 。 红外运动传感器是通过感受运动红外热源，如人体、运动机械或其他的散热 物体。被测物体距离越远的情况下，它的灵敏度相对越低。这种传感器的典型应 用包括工作场所、仓库、储藏室、室内汽车库以及装有悬挂固定物的房间。 3 ) 车辆检测方式分析 在有车辆经过或者停靠的区域，使用红外对射传感器，当光线被遮挡时，传 9 基于s i j l l p l i c i t i 协议的无线照明节能控制系统 感器就会发出信号。红外对射传感器全名“光束遮断式感应器”，也称红外探测器， 其基本构造包括光束强度指示灯、瞄准孔和球面镜片等。红外线是一种具有扩散 效应，发射出圆锥体光束的不可见光。其探测原理是利用红外线经过红外光发射 二极管，再经过光学镜面聚焦处理，产生的光线可传至较远距离，受光器负责接 收【2 1 。 第三个部分为灯具控制器终端。灯具选用可实现无极调光的l e d 节能灯。 l e d 即半导体发光二极管，l e d 节能灯是用高亮度白色发光二极管发光源，l e d 节能灯是2 0 世纪末发展起来的新一代照明光源，它属于冷光源类型。与传统光源 比较，l e d 节能灯在保护环境、寿命长、节约能源、灯光品质、减少维护费用、 灯光视觉效果和安全性方面，具有无可比拟的优势。这些优势使得l e d 节能灯越 来越多的应用在众多基础设施建设当中。l e d 节能灯被是继白炽灯、荧光灯和高 强度气体灯之后的第四代光源。适用宾馆、家庭、银行、商场、医院、饭店他各 种公共场所长时间照明【2 2 | 。 灯具控制器可实现依照照明控制信号对照明区域内多路l e d 灯具的自动开 关与调光控制，并由驱动电流决定白光l e d 灯具的发光强度。按照照明区域的划 分，可以选择将一个区域内的不可调光灯具开关控制继电器全部由一个灯具控制 器控制。例如，在一个区域内有8 盏灯，在阴天的情况需要开两盏灯，在前半夜 需全部打开，后半夜只需开4 盏灯，该控制器可以同时控制这8 盏灯的开关，这 样节省了8 盏灯开关购置成本。 2 2 2 系统软件部分 无线照明节能系统软件主程序流程如图2 2 所示，在系统各个模块上电初始 化后，开始组建照明系统中的无线信息采集器和灯具控制器网络，将各个节点入 网。启动照明区域内各信息采集点的信息采集器，采集进行智能控制所需信息， 并将信息通过s i m p l i c i t i 网络由网关协调器发送至上位机，并判断系统是否处于 手动控制状态，如果系统处于手动控制状态，将停止自动控制，并将手动控制命 令发送至照明区域的灯具控制器，执行手动灯光控制。如果系统处于自动状态， 则先检查集控上位机是否处于正常运行状态，如果不正常，则报警提醒并将照明 系统转回手动状态；如果正常，则启动集控上位机中照明模糊控制程序进行数据 处理运算。在得出控制命令后，将其发送至照明系统网关协调器，经由s i m p l i c 汀i 网络将控制命令数据发送至相应的灯具控制器，执行调光控制命令。系统的疾控 计算机监控界面可现实照明区域状态信息以及传感器采集数据。 系统软件设计包括了上位机软件设计与照明控制器软件设计。 1 上位机软件设计 上位机设置于负责管理照明区域的相关单位集控室，其由集控上位机和应用 】0 硕二l ：学位论文 服务器组成。集控上位机可以监控照明区域状态、传感器采集信息、控制历史记 录等系统相关信息；应用服务器包括了系统数据库和自动控制软件。 t 集控上位机监 控照明区域状 态 图2 2 无线照明节能系统软件主程序流程图 基于s i m p l i c i t i 协议的无线照叫节能控制系统 上位机软件作为整个无线节能照明系统的大脑，主要由以下三个功能： 1 ) 平台集控，负责对整个系统数据的管理、保存、分析、报表及相关控制输 出，数据库储存系统对重要信息进行整理和储存。 2 ) 利用基于模糊神经网络算法的照明节能控制软件，将传感器采集信息，通 过模糊神经网络算法，得出最优节能控制信息，实现节能智能控制输出。 3 ) 通过特定的网络连接，负责与照明系统的数据传输。 2 照明控制器软件设计 按照系统硬件设计，通过基于s i m p l i c 汀i 的无线通信协议来实现照明系统的 无线组网，本节主要具体实现节点的具体工作流程，包括三部分内容： 1 ) 网关协调器软件的设计要求其在作为s i m p l i c 汀i 的无线通信协议中的接入 节点，使其保持实时在线的同时，负责与信息采集器与灯具控制器的无线组网。 并保持与上位机的实时信息传输。 2 ) 信息采集器软件设计，通过采用监控点轮询机制，进行照明区域的相关模 拟量信号( 如光照度) 与数字量信号( 如车流和人流) 采集，将其通过信号调理 转换成为系统统一的信息传输格式 3 ) 灯具控制器软件，根据由网关协调器传来的控制信号，控制灯具的开关， 实现可调光灯具的亮度调节。m s p 4 3 0 系列单片机可通过t i m e r a 定时器产生 p w m 信号，根据l e d 驱动电路的对p w m 控制信号的频率要求，确定信号的周 期和占空比。 2 3 基于s i m p l i c 汀i 协议的照明无线网络 2 3 1 短距无线通信技术概况 通过文献可知，目前较广泛使用的短距无线通信技术有蓝牙技术( b 1 u e t o o t h ) ， 红外数据传输( i r d a ) 和无线局域网8 0 2 1 1 ( w i f i ) 。同时，还有一些具有发展潜力 的近距无线技术标准，它们分别是：z i 曲e e 、超宽频( u 1 t r aw i d e b a n d ) 、短距通信 f c ) 、d e c t 等。它们都有其各自的特点，有的传输速度、距离、耗电量的具备 一定优势：有的眼于功能的扩充性；有的或符合某些特殊应用的要求。但其中没有 一种技术可以完美满足所有应用环境的需求。这里介绍两种与s i m p l i c 汀i 协议相 近的短距离无线传输技术【2 3 l 。 2 3 1 1w j f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真技术) i e e e 8 0 2 11b 是其正式的名称。属于 一种短距离无线通信技术。相比于蓝牙技术，其数据安全性方面略逊一筹，其优 势在电波的覆盖范围方面，最远可达10 0m 左右。w i f i 是一种基于以太网的无 线扩展，用户只要位于一个w i f i 接入热点四周的覆盖区域内，就能接入w e b 。 硕i ：学位论文 w i f i 的传输速率最高可达1 1m b s ，实际上，如果一个热点有多个用户同时接入， 带宽会被多个用户所分享，w i f i 的不受墙壁阻隔的连接速度一般将只有几百k b s 的信号，如果在建筑物内，有效传输距离小于户外。w i f i 的应用主要在办公楼 及家庭无线网络或安装电缆困难的建筑物或场所。如飞机场、火车站、宾馆、大 型商场等公共场所。w i f i 可与基于j a v a 或x m l 的w e b 服务相融合，使得企业 的成本大幅度的减少。例如企业按照层楼或部门配备的w i f i 接入点，代替传统 的电缆线将整栋建筑物实现网络互联。这样可以大量的节省资金用于铺设电缆。 19 9 7 年，8 0 2 1 1 b 提出，其作为最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范，提供w l a n 接入为其 主要目的，并成为目前w l a n 所使用的最主要技术标准。它的工作频率为2 4 g h z ， 与蓝牙、无绳电话等共享同一频段，这些无线设备都不需频率使用许可证。随着 w i f i 协议许多新版本，如8 0 2 11a 版本和8 0 2 1 1g 版本的相继推出，w i f i 将被 越来越广泛的应用。速度更快的8 0 2 11g 版本使用的正交频分多路复用调制技术， 与8 0 2 11 b 相同。它工作在2 4 g h z 频段，速率可达5 4 m b s 。依照最近国际消费 电子产品的发展趋势判断，8 0 2 11g 将会成为大多数无线网络产品制造商选择的 首选产品标准。m i c r o s o f t 推出的最新桌面操作系统w i n d o w s 7 和其嵌入式操作系 统w i n d o w s c e 最新版本，都实现了对w i f i 的支持。其中，w i n d o w s c e 等最新 嵌入式操作信徒同时还包含如蓝牙等其它无线通信技术的支持。由于8 0 2 1 1 b 的 应用成本降低，诸多厂商介入这一热门领域。i n t e l 公司推出集成了w l a n 技术 的笔记本电脑芯片组，实现了不用外接无线网卡就可无线上网。 2 3 1 2z i g b e e 技术 z i g b e e 主要应用对数据传输速率要求不高的各种电子设备之间的短距离通 信。z i g b e e 的命名来源于蜜蜂群使用的通信方式。蜜蜂群通过跳出z i g z a g 形状 的舞蹈来传递新发现的蜜源的方向、位置和距离等信息。2 0 0 1 年8 月，z i g b e e 联盟成立。在2 0 0 2 年下半年，i n v e n s y s 、p h i l i p s 、m o t o r 0 1 a 以及m i t s u b i s h i 四大 巨头共同宣布加入z i g b e e 联盟，共同研发名为z i g b e e 为下一代短距离无线通信 标准。到目前为止，大约已有2 7 家成员企业加入该联盟。全部这些公司都参与了 i e e e8 0 2 15 4 工作组，该工作组负责开发z i g b e e 物理层和媒体控制层技术标 准。z i g b e e 联盟的主要工作是制定其网络层以上协议。相比于比蓝牙、8 0 2 1 1 x 无线局域网，z i g b e e 协议更简单实用。z i 曲e e 采用了跳频技术，与蓝牙有一定 的相似性，它同样使用2 4g h z 波段。z i g b e e 则更简单、速率相对较慢，但功率 及成本也更低。它可以达到2 5 0 k b s 的基本速率，通过降低传输速率，扩大其传 输范围，并同时具备更高的可靠性。z i g b e e 可拓扑2 5 4 个节点，相对于蓝牙可以 更好地支持消费电子、仪器和家庭自动化的应用。人们期望其能在如工业控制、 无线传感器网络、家庭监控、安全警报系统和电子玩具等领域拓展对z i g b e e 的 基于s i m p li c i t i 协议的无线照明节能控制系统 应用。z i g b e e 技术主要具备以下几个特点：1 ) 数据传输速率低，只有10 k b s 2 5 0 k b s ，专注于低速率传输应用。2 ) 低功耗。两节普通5 号干电池可在低耗电 待机模式下使用6 个月以上。这也是z i g b e e 独树一帜的优势。3 ) 低成本。因为 z i g b e e 协议简单，数据传输速率低，显著降低了成本。m o t o r o l a 和p h i l i p s 等公 司大力气投入z i g b e e 产品的开发，均己在2 0 0 3 年正式推出其设计的z i g b e e 芯片。 4 ) 网络容量大。每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，设备之间可以相互连 接5 ) 较小的有效范围。依据具体的各种的应