无线家居LED光源智能控制系统研究

智能照明如今是半导体照明领域的热点话题，本文主要介绍无线家居LED光源智能控制系统的一些研究，将无线通信技术引入LED照明无线控制系统，实现LED智能照明，与业界探讨。

研究以LED光源为控制对象，使用恒流驱动电源，JN516x微处理器通过相关模块，采用PWM脉冲调光技术来进行线性调光。运用JenNet-IP无线网络技术，选用树形拓扑结构来进行实时控制，并使用JenNet-IP WPAN协议栈，实现JenNet-IP的无线组网。

LED光源无线控制系统由无线网络、上位机、LED灯及内嵌的智能控制终端组成，具有网络自组织能力。本文选用JenNet-IP无线通信技术，每一个光源为一个节点，在JenNet-IP节点上加装传感器，负责采集光源环境亮度信息以及光源的工作状态。JenNet-IP节点之间通过2.4GHz天线通信，网络协调器通过串口将收集的数据传送给上位机。

一、JenNet-IP技术

JenNet-IP是专为住宅，商业和工业应用而设计的，适合低成本网络的消费者，如智能照明。JenNet-IP是一种基于IPv6 的低速无线个人局域网系统，其中栈的无线网络层是恩智浦专有的JenNet协议即JenNet-IP WPAN栈，JenNet-IP还有一个额外的接口层称为JIP(JenNet-IP)。允许用户的应用程序对设备进行访问。该协议具有相关的API 构成函数(和相关的资源)，使访问更加便捷：

1.JIP嵌入式API：这是一个C API，可以用来开发应用程序在WPAN域节点的JN51x设备上运行。

2.C JIP API和Java JIP API：用来开发应用程序在LAN/WAN设备(如PC、平板电脑或手机)上运行。C JIP API也可用来开发Border-Router的LAN/WAN侧的应用程序，并且只能在基于Linux的平台上使用。

JenNet-IP具有高度可靠，易于扩展; 实现基于网络IP的物联网;具有可扩展的应用程序API，低内存占用，小于128K字节等特点。

二、LED光源无线控制系统总体设计

图1给出LED光源无线控制系统总体框图，以JN516x处理器为核心，通过控制外围设备完成系统功能。LED光源内嵌的单灯控制器构成各分布节点;定时地将LED灯的工作状态以无线数据包的形式通过2.4GHz天线发射，通过JenNet-IP网络汇总到中心节点，中心节点将汇总的数据通过RS-232串口传送到主机处理器;经过主机处理器的逻辑判断与智能分析后，实现智能调光、分组群控、情景模式等复杂功能。

图1 LED光源无线控制系统总体框图

图2 系统硬件框图

图2 给出系统整体硬件框图，包括电源电路、复位电路、时钟模块、串口模块、亮度检测模块等。其中，中心协调器节点上具有串口模块。

微处理器模块负责整个LED智能照明系统的全自动组网、逻辑判断、智能分析、上位机通信等任务。RF无线射频模块负责无线传感网络的数据收发任务。传感器模块负责实时采集照明现场的光照度、移动目标、LED状态等环境参数，分别转发至微处理器MCU、主机处理器进行数据处理与实时显示。RS232串口通信负责无线网络与主机处理器的数据通信。

1.JN516x微处理器

JN516x芯片是一个32位的RISC CPU，具有嵌入式闪存和带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，允许软件片上运行，架构了三个关键要求：低功耗电池供电、为复杂的无线协议提供高性能实现、高级语言的高效编码(如C语言所提供的软件开发工具包)。该JN516x采用统一的内存架构，程序存储器、数据存储器、外围设备和I / O端口都在同一个线性地址空间内。

2.串口通信模块

RS232串口通信模块是JenNet-IP无线传感网络中的协调器网关节点与PC上位机之间双向通信的桥梁，PC上位机通过RS232串口将LED控制命令实时发送至协调器网关节点，又借助RS232串口从协调器网关节点读取无线传感网络实时采集到的光照度、LED状态等数据信息，实时显示。

JN516x有两个通用异步接收器/发送器(UART)串行通信接口。接口输入串行数据时进行串行到并行的转换和从CPU输出数据到外部设备时进行串行到并行的转换。具有可配置的FIFO缓冲器(具有16字节的默认深度)允许CPU来读取和写入每个事务的多个字符。这意味着，CPU可以在逐字符的基础上处理数据。

3.无线收发模块

无线收发器包括2.45GHz的调制解调器、基带处理器、安全协处理器和PHY控制器。通过一个协议栈库，来实现以IEEE802.15.4标准为基础的无线收发器。

JN516x器件提供一个天线分集装置，允许2根天线连接到器件上。一旦当前天线的发送或接收性能比较差时，就自动切换到备用天线。2根天线通过一个2-state开关连接到JN516x器件，如图3-6所示。在一个位置(例如，DIO12-13 = 10)，开关将JN516x器件的RF_IN引脚与一根天线相连;在另一个位置(例如，DIO12-13= 01)，开关将这个引脚与另一根天线相连。

图3 天线分集的连接

4.传感器采集模块

LED智能照明控制系统利用无线传感网络中分布的大量传感器模块实时采集LED照明现场的光照度、LED状态等环境参数，并通过RF无线射频模块发送至无线传感网络中的协调器网关节点，MCU微处理器进行数据处理、逻辑分析与智能判断，实现LED的PWM线性无极智能调光、分组群控、情景模式等复杂功能，光照补偿后保证照明现场的自然光照度基本不变，改善照明质量。

传感器使用光敏电阻来采集自然光照度。在无光照射时，它呈高阻态，当有光照射时，其电阻值迅速减小。采用光敏电阻作为模拟信号的输入，通过ADC通道进行单次采样，连接一路AD，用来采样环境亮度信息。光敏电阻的灵敏度即预设阀值由电位器进行动态调节，满足LED智能照明的多元化控制方式：

1.光电开关控制：将模拟量光照度输入至双电压比较器，当自然光照度达不到光敏电阻的预设阈值时，输出数字开关量0;当自然光照度超过预设阈值时,，输出数字开关量1。开关量0或1可以直接驱动继电器的光电开关，实现LED的光电开关控制。

2.PWM脉冲控制：将模拟量光照度输入至JN516x的I/O引脚，利用自带的12位ADC精准转换成数字量光照度，被RF无线射频模块发送到协调器网关节点，与光照度预设阈值进行逐一比对，产生相应的PWM脉冲信号，配合PT4115恒流源驱动器实现LED的各种控制功能，并保证现场照明度基本不变。

5.PWM调光

PT4115采用PWM调光措施，PT4115可以在DIM管脚加PWM信号进行调光，DIM管脚电压低于0.3V关断LED电流，高于2.5V全部打开LED电流，PWM调光的频率范围从100Hz到20KHz以上。当高电平在0.5V到2.5V之间，也可以调光。

PWM调光措施相对于传统的线性调光，不影响LED的光效。PWM调光的基本原理是保持 LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例 ，即控制每个周期电流导通的时间。PWM调光的优势是 LED正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像 模拟调光一样会变化。PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。

三、系统软件总体设计框架

LED光源无线控制系统的软件设计主要是对JenNet-IP无线网络的应用。LED光源无线控制系统的软件总体框架如表1。

1. JenNet-IP无线网络的组网实现

JenNet-IP无线传感器网络主要由协调器、路由器和终端设备三类节点构成。协调器节点作为JenNet-IP无线传感网络的控制中心,主要负责选择网络要使用的无线通道、启动网络、允许其他节点与它相连(即组成网络),并与主机通过RS232串口进行双向通信,保证下位机的信息数据实时上传,和主机的控制命令及时下传;路由器节点主要负责将消息从一个节点传递到另一个节点(路由);允许其他节点与它相连(即，组成网络),可以作为远距离通信的信息数据中转站,实现JenNet-IP网络的多跳路由数据通信;终端设备的大部分节点是LED灯具节点,接收无线传感网络的开关、调光等照明控制命令,保证照明现场的光照度基本不变;另一部分节点作为传感器釆集节点,负责实时采集照明现场的光照度、LED工作状态等环境参数,并将数据广播至整个JenNet-IP无线传感网络。

2.地址分配

为了管理多个无线网络工作在同一个空间或相邻空间的情况，就要识别某一个特定的无线网络。节点必须能够识别它所属的网络。在一个JenNet-IP系统的无线网络中，使用PAN(个人局域网)ID来识别。

PAN ID是IEEE 802.15.4协议使用的一个16位值。软件栈的较低层使用它来识别网络，ID在工作环境中应该是独一无二的，也就是说，它不能和邻近网络的PAN ID相冲突。

PAN ID可以在协调器的用户应用程序代码中预先设置： 如果PAN ID预先设置成0FFFF，协调器将随意选择一个初始PAN ID，然后通过“监听”其他网络的PAN ID 来验证它是否是唯一的(不断选择一个随机PAN ID，直至找到一个不与其他网络的PAN ID相冲突的值);如果PAN ID预先设置成任何其他的有效值，协调器就使用这个PAN ID(不管它是否与另一个网络的PAN ID冲突)。

网络中每个节点分配一个地址，用于节点寻址。在一个无线网络中，通常使用的是设备的IEEE或MAC地址。这是一个IEEE 分配的64位的地址，唯一地标识一个设备。在6LoWPAN系统中，一个无线网络节点使用IPv6地址来识别，是一个128位的地址，前64位(位127-64)识别网络，后64位(位63-0)识别设备。在JenNet-IP中，地址的第2部分(称为主机接口ID)由设备的MAC地址提供，主机接口ID的位57位反相就形成了MAC地址。

3.路由算法

在无线网络中，一个消息从一个节点发送到另一个节点通常需要通过一个或多个中间节点，然后到达最终的目的节点。传递一个消息(不处理消息的内容)的过程称为路由，可以执行路由的节点是路由器和协调器。在JenNet-IP中，树型路由只用于单播。对于一个广播，源节点在无线电通信范围内发送消息给所有节点，然后每个接收路由器节点再次广播消息(但只是首次接收到的消息)。到一组节点的多播处理成具有一个多播地址的广播，多播地址与这个节点组相对应。

在树型网络中，传输时消息只能沿着树向上传递到父节点或者沿着树向下传递到一个子节点(消息从这儿传递)。消息在这些“跳跃(hop)”中沿着树向上传递直至到达源节点和目标节点的首个公共祖先，然后消息通过另一条支路沿着树向下回传直至到达目的节点。如果协调器是唯一的公共祖先，消息就只到达树的顶部。为了路由，消息包含2个地址：目标节点的地址和“下一跳”节点的地址。后者在消息通过网络传播时由路由节点修改，变得与最后一跳的目标地址相同。

路由机制要求路由信息保存在路由器和协调器中。这个信息包括节点地址，存放在邻居表和路由表的节点上。 邻居表：包含所有的直接子节点以及节点的父辈; 路由表：包含所有非直接子节点的孙节点(树型中的低层)。 同时，这两个表让路由器了解到树中所有的孙节点。由于协调器位于树的根部，因此知道网络中的所有节点。这两个表在网络初始化和形成时就由栈自动配置好。

接收消息时，一个路由器节点完成路由算法过程如图4所示：

(1)路由器首先检查最终目标地址，确定消息是否传递给它自己，如果是，就处理消息的内容。

(2)如果不是上面的检查结果，路由器就检查自己的邻居表，确定消息是否传递给它的其中一个直接子节点，如果是，就将消息传递给相应的子节点。

(3)如果前面的结果都不是，路由器就检查自己的路由表，确定消息是否传递给它的一个其他孙子节点，如果是，就将消息传递给相应的中间子节点(路由器)。

(4)如果前面的结果都不是，路由器就将消息沿着树向上传递给它的父节点进行进一步路由。至于协调器，除了消息不能进一步沿着树向上传递之外，路由机制与路由器完全类似。

本文对基于JenNet-IP的 LED智能照明控制系统进行了研究与设计。LED光源内嵌控制终端，电源采用恒流驱动技术，运用PWM脉冲调光技术实现PWM线性调光。控制策略则运用JenNet-IP无线技术，并结合树形拓扑结构的JenNet-IP WPAN协议栈，实时采集LED照明现场的环境参数，通过JenNet-IP无线传感网络来进行信息通信，并且实时采集LED光源的环境参数，经过JN516x芯片的逻辑判断和智能分析后，实现智能调光、分组群控、情景模式等功能。——本文节选自第6期《半导体照明》杂志)

参考文献

[1] 俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究[D].浙江：浙江工业大学，2012:2-10

[2] 罗巍.基于ZigBee技术的无线照明系统的研究与设计[D].武汉：武汉科技大学.2012:1-7

[3] 乐钰唯.照明控制技术的发展及应用现状[J].北京：照明工程学报，2010 年 2 期.

[4] 王博.基于ZigBee无线组网技术的智能家居系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2012:7-9

[5] 赵文静.基于ZigBee 技术的智能楼宇监测系统的设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.

[6] 冯莉.董桂梅.林玉池. 短距离无线通信技术及其在仪器通信中的应用. 仪表技术与传感器.2007.(2)：31-32.

详情查阅：2015年第6期(总第64期)

订阅热线：010-82385280-616

转载请标注：中国半导体照明网、《半导体照明》杂志