劉 璐 周靖林

（1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029； 2.中國石化江西石油分公司，南昌 330046 ）

在我國照明耗電占年發(fā)電量的12%左右[1]。目前，智能照明控制系統(tǒng)在美國使用率超過70%，歐洲為 40%～50%，日韓占 15%～20%，而中國低于1‰[2]?？梢?，智能照明控制在我國存在極大發(fā)展?jié)摿爸匾F(xiàn)實意義。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC通信與照明控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一套智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)燈具自動控制，提高系統(tǒng)管理水平。

1 系統(tǒng)方案概述

本文的智能照明控制系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC 服務(wù)器和用戶界面3 部分組成。

底層的無線網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，包括一個基站和多個從站。其中，從站與被控LED 燈連接并將燈的狀態(tài)信息傳送給基站?；就ㄟ^RS232 與PC 機相連，將接受的控制命令下達給從站。系統(tǒng)使用ATmega16L 單片機和nRF905 無線射頻模塊構(gòu)成工作于433MHz 的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，兩者通過SPΙ 串行口相連。

上位機中具有專門開發(fā)的OPC DA 服務(wù)器。OPC 服務(wù)器與組態(tài)軟件中開發(fā)的用戶界面之間采用OPC 技術(shù)通信，與無線網(wǎng)絡(luò)中的基站之間采用RS232 串行通信。OPC 服務(wù)器負責(zé)將用戶下達的控制命令傳送給無線網(wǎng)絡(luò)中的基站，并將基站傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)上傳至用戶界面顯示。

在組態(tài)軟件中開發(fā)的用戶界面能實時準(zhǔn)確的顯示設(shè)備狀態(tài)，并可實現(xiàn)對LED 燈的組合控制、溫度控制、PWM 控制、定時控制及操作記錄等功能。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一些低功耗、低成本、體積小的傳感器節(jié)點，以無線通訊方式組成的網(wǎng)絡(luò)，融合傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)信息的采集、處理、傳輸及應(yīng)用[4]，具有施工成本低、系統(tǒng)擴展性好、運行維護易等優(yōu)點。本系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

1）網(wǎng)絡(luò)拓撲

系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，有基站和從站兩類節(jié)點?；九c各從站間進行雙向通信，從站互不通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都配有ΙD 地址，有接收、發(fā)送兩種狀態(tài)，默認處于接收狀態(tài)。

2）MAC 層協(xié)議

為避免多個從站同時向基站發(fā)送信息導(dǎo)致信道沖突，且照明系統(tǒng)對控制時延性要求不高，所以網(wǎng)絡(luò)MAC 層采用非堅持CSMA/CA 協(xié)議。通信前，節(jié)點先利用nRF905 的載波檢測引腳CD 監(jiān)聽信道是否空閑，若空氣中有同頻信號則CD 自動置高。若信道忙碌則節(jié)點隨機延遲一段時間后再重新監(jiān)聽。信道空閑時，節(jié)點并不立即發(fā)送，而是采取一定的退避機制，將信道沖突的概率降至最小。因為當(dāng)某從站與基站通信完畢的瞬間，可能有多個要發(fā)送數(shù)據(jù)的從站同時監(jiān)聽到信道空閑，此時信道沖突的可能性最大，所以節(jié)點隨機退避一段時間后再進行發(fā)送。這里采用二進制指數(shù)退避算法BEB，設(shè)爭用期（即節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)至接收到信道沖突的時間）為2t，各站重傳次數(shù)為N，從整數(shù)集合[0，1，…，(2N-1)]中隨機取數(shù)，記為R。節(jié)點重傳產(chǎn)生的時延D為2t的R倍，即D=R×2t。站點在發(fā)送前若檢測到信道空閑，就立即啟動退避計數(shù)器，只要信道空閑，退避計數(shù)器就遞減，若退避過程中檢測到信道被占用則暫停退避計數(shù)器并保持計數(shù)器值不變，當(dāng)信道重新空閑時在原有計數(shù)值基礎(chǔ)上再次啟動退避計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)值減到零時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 非堅持CSMA/CA 流程圖

3）沖突避免策略

CSMA/CA 協(xié)議只能解決發(fā)送端的數(shù)據(jù)沖突問題，但接收端仍存在數(shù)據(jù)沖突的可能，即“隱藏節(jié)點”問題。因此系統(tǒng)引入RTS/CTS/DATA/ACK 握手機制。具體過程如下：

（1）從站向基站發(fā)送前先通過競爭方式獲得信道使用權(quán)，再向基站發(fā)送請求連接幀RTS（Request To Send）。

（2）基站收到從站的RTS 幀后，向從站發(fā)送連接確認幀CTS(Clear To Send)，建立兩者之間的通信連接。

（3）從站收到基站的CTS 幀后，向基站發(fā)送數(shù)據(jù)幀DATA，若沒有收到CTS 幀，則重新發(fā)送RTS 幀。

（4）基站收到從站的DATA 幀后，向從站發(fā)送數(shù)據(jù)確認幀ACK。

（5）從站收到基站的ACK 幀后，整個通信過程結(jié)束，若沒有收到，則重新發(fā)送DATA。

4）差錯控制

在差錯控制方面，系統(tǒng)采取數(shù)據(jù)重發(fā)機制與nRF905自身CRC校驗相結(jié)合的方式。從站在發(fā)送RTS或DATA 后，若在一定時間內(nèi)沒有收到基站的CTS 或ACK，則重新發(fā)送傳輸失敗的幀，直到接收到回復(fù)或重發(fā)次數(shù)達到設(shè)定值。另外，nRF905 提供對CRC 校驗的硬件支持，通過設(shè)置 RF 配置寄存器中的CRC_MODE 值，采取8 位CRC 校驗。當(dāng)接收的數(shù)據(jù)CRC 校驗出錯時，nRF905 會自動丟棄錯誤幀。

5）數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：點播和廣播。點播是指基站向指定從站發(fā)送命令或某一從站向基站傳輸數(shù)據(jù)，是點對點通信。廣播是指基站向所有從站發(fā)送命令，此時目的地址為統(tǒng)一值，是點對多點通信。

6）通信幀

系統(tǒng)有兩種幀類型，分別是控制幀RTS、CTS、ACK 和數(shù)據(jù)幀DATA。其中，前導(dǎo)碼表明幀的開始；源地址為發(fā)送的設(shè)備地址；目的地址為接收的設(shè)備地址；幀類別說明此幀的功能；有效數(shù)據(jù)是傳輸?shù)木唧w內(nèi)容；結(jié)束碼表明此幀的結(jié)束。

控制幀結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：

2.2 OPC DA 服務(wù)器

OPC 技術(shù)是用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術(shù)，其以COM/DCOM/COM+技術(shù)為基礎(chǔ)，采用服務(wù)器/客戶端模式[5]。本系統(tǒng)針對智能照明控制系統(tǒng)的需求，開發(fā)專門的OPC DA 服務(wù)器，設(shè)計如下：

1）OPC 對象與接口

系統(tǒng)編寫實現(xiàn)OPC DA 服務(wù)器的定制接口，采用E 形式，以O(shè)PC3.0 規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容OPC2.0版。系統(tǒng)的OPC 對象與接口包括OPC Server、OPC Group 和OPC Ιtem 三種對象。其中，OPC Server 和OPC Group 為標(biāo)準(zhǔn)COM 對象，服務(wù)器對象不支持聚合，支持連接點機制。組對象支持聚合、連接點機制。項對象不是標(biāo)準(zhǔn)的COM 對象，通過一個類進行描述，在類中定義項對象的屬性和操作方法。系統(tǒng)OPC Server 對象實現(xiàn)的接口包括：ΙOPCServer、ΙOPCommon 、ΙOPCBrowseServerAddressSpace 、ΙOPCΙtemΙO、ΙOPCΙtemProperties 及ΙOPCBrowse。OPC Group 對象實現(xiàn)的接口包括：ΙOPCΙtemMgt、ΙOPCΙtemDeadbandMgt 、ΙOPCGroupStateMgt2 、ΙOPCGroupStateMgt、ΙOPCSyncΙO、ΙOPCSyncΙO2、ΙOPCAsyncΙO、ΙOPCAsyncΙO2 及ΙOPCAsyncΙO3。

2）服務(wù)器地址空間

系統(tǒng)的服務(wù)器地址空間由OPC 服務(wù)器內(nèi)所有可讀寫的數(shù)據(jù)項組成，根據(jù)實際情況預(yù)先設(shè)計，采用樹型結(jié)構(gòu)。整個服務(wù)器地址空間使用一個自定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)組進行存儲，其結(jié)構(gòu)體成員包括：結(jié)點唯一的ΙD 號、結(jié)點的名字、父結(jié)點的ΙD 號、左子女結(jié)點的ΙD 號和右兄弟結(jié)點的ΙD 號。最后，系統(tǒng)通過定義一個類對服務(wù)器地址空間進行管理。

3）硬件數(shù)據(jù)采集部分

OPC DA 服務(wù)器通過RS232 串行口與無線網(wǎng)絡(luò)中的基站連接。本系統(tǒng)將與串口通信有關(guān)的APΙ 函數(shù)封裝在一個類中進行管理，并定義一個屬于此類的全局變量。通過對此全局變量的讀操作，將無線網(wǎng)絡(luò)基站上傳的設(shè)備信息寫入服務(wù)器地址空間及相應(yīng)的OPC Ιtem 中。當(dāng)OPC 服務(wù)器接收到控制命令后，會自動調(diào)用串口全局變量的寫函數(shù)，將指令下發(fā)給無線網(wǎng)絡(luò)中的基站，并由基站將指令傳輸給具體從站。

4）線程設(shè)計

系統(tǒng)的OPC 服務(wù)器包括一個主線程，兩個輔助線程。主線程由服務(wù)器啟動時自動創(chuàng)建，用于初始化COM 庫，建立消息循環(huán)和處理消息。第一個輔助線程用于處理服務(wù)器數(shù)據(jù)更新及異步事務(wù)，線程會周期性更新每個OPC Server 對象中所有組對象的數(shù)據(jù)項，同時執(zhí)行異步操作事務(wù)，并將操作結(jié)果回調(diào)給客戶。第二個輔助線程用于RS232 串口監(jiān)測，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，會以消息方式通知主線程，激發(fā)消息處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器地址空間。不同線程間采用臨界區(qū)方式進行同步。

圖7 OPC DA 服務(wù)器更新及事務(wù)處理流程圖

5）數(shù)據(jù)訪問

本系統(tǒng)的OPC 服務(wù)器支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)訪問方式，包括提供 6 種讀數(shù)據(jù)方式，其中ΙOPCSyncΙO2::ReadMaxAge、ΙOPCSyncΙO::Read 和ΙOPCΙtemΙO::Read 用于同步讀；ΙOPCAsyncΙO2:: Read、ΙOPCAsyncΙO3::ReadMaxAge 用于異步讀；而當(dāng)數(shù)據(jù)改變或異步刷新被調(diào)用時，采用ΙOPCCallback::OnDataChange。本文由于無線網(wǎng)絡(luò)中的基站會自動將設(shè)備最新狀態(tài)上傳至OPC 服務(wù)器中的服務(wù)器地址空間，因此所有讀操作都直接讀取OPC 服務(wù)器中的內(nèi)存數(shù)據(jù)。OPC 服務(wù)器具有五種寫數(shù)據(jù)方式，其中同步寫操作包括：ΙOPCSyncΙO:: Write、ΙOPCSyncΙO2::WriteVQT 及 ΙOPCΙtemΙO:: WriteVQT；異 步 寫 操 作 包 括：ΙOPCAsyncΙO3:: WriteVQT、ΙOPCAsyncΙO2::Write。當(dāng)用戶下達指令時，OPC 服務(wù)器通過調(diào)用RS232 串口寫函數(shù)，將命令下傳給無線網(wǎng)絡(luò)中的基站。

3 智能照明控制系統(tǒng)模擬組網(wǎng)

本文使用ATmegal6L 和nRF905 構(gòu)成無線節(jié)點模擬組建一個智能照明控制系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)LED 燈的組合控制、PWM 控制、定時控制等功能。

系統(tǒng)通過ATmega16L 開發(fā)板上的LED 燈模擬被控?zé)艟?。溫度控制方面，采用白熾燈與晶閘管BTA12-600 及光耦隔離器MOC3041 相連接模擬被控端。從站的微控制器將實際燈溫度值與設(shè)定值進行比較，通過PΙD 算法計算修正PWM 占空比，調(diào)整燈的明暗程度。

圖10 模擬智能照明控制系統(tǒng)實物圖

最后，系統(tǒng)利用組態(tài)王軟件開發(fā)用戶界面。在操作界面上，可實時顯示設(shè)備狀態(tài)，對LED 燈進行各種控制操作。系統(tǒng)會對各項操作進行歷史記錄，同時可利用組態(tài)王的Web 功能使用戶能隨時隨地通過Ιnternet/Ιntranet 實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控。

圖11 用戶操作界面

試驗平臺的模擬運行結(jié)果表明，該智能照明控制系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，具備良好的可擴展性。

部分程序代碼：

uchar csma_ca(void)//載波檢測和退避機制

4 結(jié)論

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、OPC DA 服務(wù)器應(yīng)用于智能照明控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)從用戶界面到無線終端的整體控制。經(jīng)驗證，系統(tǒng)安裝方便、工作穩(wěn)定、各部分銜接良好，滿足控制要求。此外，系統(tǒng)還易于擴展，具有良好的通用性和一定的可移植性，稍作修改可應(yīng)用于其他控制領(lǐng)域。

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