袁 佳，焦志曼，余建波，吳 斌，經(jīng) 偉，許 堃

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804；3.上海電機(jī)學(xué)院 商學(xué)院，上海201306）

0 引 言

傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)采用有線連接，具有布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高以及移動(dòng)性能差等缺點(diǎn)［1］。近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展，其具有連接方便、組網(wǎng)靈活、功耗小、使用成本低等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)智能照明控制系統(tǒng)的理想選擇。文獻(xiàn) ［2］針對(duì)城市燈光控制系統(tǒng)引起的耗能與節(jié)能問題，提出了一種基于GPRS 技術(shù)的遠(yuǎn)程燈光控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)［3］針對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)布線麻煩、可擴(kuò)展性差、節(jié)能效率低等缺點(diǎn)，開發(fā)了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)；文獻(xiàn) ［4］利用Zigbee無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出了基于Zigbee技術(shù)的LED 燈光無(wú)線智能控制系統(tǒng)。

此外，采用合理優(yōu)化的控制結(jié)構(gòu)也是節(jié)能減能的有效措施，分布式控制系統(tǒng)采用分級(jí)遞階的體系結(jié)構(gòu)，能夠使整個(gè)系統(tǒng)在優(yōu)化的操作條件下運(yùn)行［5］。文獻(xiàn) ［6］介紹了一種基于分散控制的智能燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、控制靈活可靠，可應(yīng)用于各種戶外大型音樂燈光表演工程；文獻(xiàn) ［7］根據(jù)智能燈光控制系統(tǒng)方便、簡(jiǎn)單、靈活的發(fā)展要求，提出了一種基于無(wú)線及電力載波技術(shù)的分布式智能燈光控制系統(tǒng)。

針對(duì)現(xiàn)有照明控制系統(tǒng)存在的問題，本文開發(fā)了一種基于GPRS和ZigBee的LED 節(jié)能照明遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全無(wú)需布線、擴(kuò)展性強(qiáng)、使用能耗低、控制靈活方便、遠(yuǎn)程控制安全可靠。智能控制終端通過(guò)組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈具的分布式智能控制，同時(shí)將GPRS和Internet通信相結(jié)合［8］，通過(guò)與遠(yuǎn)程控制中心PC計(jì)算機(jī)連接可接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。

1 系統(tǒng)方案

本文提出的基于GPRS和ZigBee的LED節(jié)能照明遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、GPRS／ZigBee通信傳輸系統(tǒng)、終端控制系統(tǒng)3個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)上位機(jī)軟件系統(tǒng)或者手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；GPRS／ZigBee通信系統(tǒng)主要由GPRS／232傳輸模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器等組成，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸；終端控制系統(tǒng)主要由無(wú)線模塊、調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊等組成，其中無(wú)線模塊是智能控制終端的核心，由其產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)，控制調(diào)節(jié)LED 調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)頻率。

此系統(tǒng)采用GPRS和ZigBee無(wú)線組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)LED 燈光遠(yuǎn)程智能控制，可充分發(fā)揮GPRS 網(wǎng)絡(luò)［9］傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)和ZigBee技術(shù)［10］自動(dòng)組網(wǎng)、時(shí)延短、容量大的特點(diǎn)，控制靈活方便、系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，無(wú)需布線，免除設(shè)備移動(dòng)的煩擾，大大降低了成本，很適合LED 遠(yuǎn)程智能控制。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠控制的關(guān)鍵，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)GPRS和RS232串口之間的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊，主要由MD251模塊、SIM SOCKET 模塊、RS232 串口模塊和電源模塊等構(gòu)成，其中MD251 模塊又是其中的核心。MD251是訊研通公司開發(fā)的可編程GSM／GPRS 模塊，其設(shè)計(jì)電路如圖2所示，該模塊支持GPRS數(shù)據(jù)傳輸、SMS控制、AT 命令控制和UART 串口中斷，并且留出了SIM卡接口和一系列的外部接口，可以方便實(shí)現(xiàn)GPRS 到RS232數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591 功放芯片以及少量的外圍器件構(gòu)成。CC2430芯片結(jié)合了一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻 （RF）前端、內(nèi)存和微控制器。但是CC2430芯片本身的通信距離十分有限，因此要增加一個(gè)功放芯片CC2591來(lái)加大節(jié)點(diǎn)的通信距離，減少通信延時(shí)和增加通信的穩(wěn)定性。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［11］中包含設(shè)備終端控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) （與GPRS模塊相連）。A／D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路以及其它應(yīng)用電路與ZigBee模塊相連構(gòu)成設(shè)備終端控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LED燈具的亮度調(diào)節(jié)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)ZigBee模塊和RS232接口組成，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)，接收遠(yuǎn)程無(wú)線控制信號(hào)并傳向ZigBee網(wǎng)絡(luò)。各終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器共同構(gòu)成了系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)沒有A／D 轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路及LED 燈具接口，主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2.3 LED智能控制終端

LED 智能控制終端主要由電源穩(wěn)壓模塊、ZigBee無(wú)線模塊和調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。Zig－Bee無(wú)線模塊是智能控制終端的核心，其不但實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信功能，同時(shí)也由其產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)，控制調(diào)節(jié)LED 調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

圖2 MD251模塊設(shè)計(jì)電路

圖3 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 燈光控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊采用恒流驅(qū)動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，驅(qū)動(dòng)芯片選擇Supertex公司的大功率LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片HV9910B，其輸出電流恒定，適合應(yīng)用于LED恒流驅(qū)動(dòng)。MOS管選取性能良好的STD5NM50，最大耐壓達(dá)500 V，最大漏極電流7.5A，導(dǎo)通電阻小于0.8Ω。二極管選取快恢復(fù)二極管BYV26B，其反向耐壓達(dá)500V，正向平均電流1A，正向?qū)▔航?.2V。濾波電容CE1選擇10μF／35V的鉭電容，C3選擇47μF／35V的電解電容，C2選擇4.7μF無(wú)極性電容，電阻R1為22Ω，電阻R2為28KΩ，電阻值R3為0.36Ω，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，元件的選擇滿足電路設(shè)計(jì)要求。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

ZigBee主要支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、簇樹結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用來(lái)創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，監(jiān)聽其它設(shè)備的入網(wǎng)請(qǐng)求并使其加入網(wǎng)絡(luò)，起著管理整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的作用；路由器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)快速高效穩(wěn)定的傳輸，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)終端動(dòng)作的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)具體的控制功能，并返回相關(guān)數(shù)據(jù)。簇樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，星型網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于管理，建網(wǎng)容易，擴(kuò)展方便，控制靈活，很適合應(yīng)用于對(duì)LED 終端的控制，因此，我們選擇組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。

圖5 調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊電路原理

圖6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用MSSTATE＿LRWPAN 協(xié)議棧組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)過(guò)程如下：首先協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)aplForm－Network（）建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立成功后，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)運(yùn)行apsFSM（）狀態(tài)機(jī)，監(jiān)聽其它節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求信息，其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求后，通過(guò)aplJoinNetwork（）加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后運(yùn)行apsFSM（）狀態(tài)機(jī)，通過(guò)APP＿STATE ＿RUN＿APPn執(zhí)行應(yīng)用程序。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)流程如圖8所示。

圖7 ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)程序流程

3.2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件采用C＃語(yǔ)言編寫，通過(guò)GPRS和Internet兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 終端的遠(yuǎn)程智能控制，其控制界面如圖9、圖10所示。

GPRS方式將GPRS 模塊和電腦相連，通過(guò)串口建立與GPRS模塊的通訊連接，將控制信息傳輸至GPRS網(wǎng)絡(luò)，包括端口設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、終端綁定、實(shí)時(shí)控制等幾個(gè)部分。

Internet方式通過(guò)Socket技術(shù)建立與GPRS 模塊的通訊連接，包括通訊連接、終端遠(yuǎn)程控制、日常維護(hù)、數(shù)據(jù)管理等模塊?？刂平缑婺軐?shí)時(shí)獲取每個(gè)遠(yuǎn)程GPRS模塊對(duì)應(yīng)的IP地址和端口號(hào)，用戶通過(guò)此界面向不同IP 地址下的智能控制終端發(fā)出燈光控制命令，可以集中控制所有智能終端，也可通過(guò)編號(hào)分別控制每個(gè)智能終端，靈活方便實(shí)現(xiàn)LED 終端的遠(yuǎn)程智能控制。

圖8 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序流程

圖9 GPRS遠(yuǎn)程控制界面

圖10 LED 節(jié)能照明遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)通信協(xié)議

遠(yuǎn)程控制中心向智能終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含控制命令的數(shù)據(jù)包，智能終端節(jié)點(diǎn)按照雙方約定的協(xié)議進(jìn)行，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能。數(shù)據(jù)包協(xié)議見表1。

數(shù)據(jù)頭：固定設(shè)置為FA，表示一幀數(shù)據(jù)的開始；

事件號(hào)：事件類別，0x01 表示普通控制消息，0xEE表示器件狀態(tài)消息；

上／下行：0x01表示上行，方向?yàn)椋航K端→協(xié)調(diào)器→控制器→上位機(jī)；0x00表示下行，方向?yàn)椋荷衔粰C(jī)→控制器→協(xié)調(diào)器→終端；

長(zhǎng)度：為源端點(diǎn)＋目的端點(diǎn)＋控制位＋功能位；

源端點(diǎn)：發(fā)送控制信息的端點(diǎn)；

目的端點(diǎn)：接收控制信息的端點(diǎn)；

控制位：0x00～0xFF，0x01代表燈管1，0x02代表燈管2，以此類推，0x00表示所有燈管，每個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最多可同時(shí)控制255個(gè)燈管；

功能位：表示LED 燈具的具體調(diào)光命令，可實(shí)現(xiàn)256級(jí)無(wú)極調(diào)光 （0x00～0xFF）；

數(shù)據(jù)尾：固定設(shè)置為FD，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，和數(shù)據(jù)頭一起作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?yàn)碼，只有數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾都正確，接收的數(shù)據(jù)才為一幀有效數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)對(duì)開發(fā)的基于GPRS和ZigBee的LED 節(jié)能照明遠(yuǎn)程智能分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，主要包括GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的建立、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的的組建和各種調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)3種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈具的遠(yuǎn)程控制：①直接通過(guò)手機(jī)發(fā)送控制信息；②PC 機(jī)和GPRS／232透?jìng)髂K一起作為服務(wù)器，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)控制；③PC機(jī)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。

遠(yuǎn)程控制界面如圖9和圖10所示，系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)連接如圖11所示，測(cè)試系統(tǒng)包括1臺(tái)PC 機(jī) （用作服務(wù)器）、1臺(tái)手機(jī)、2個(gè)GPRS通訊模塊 （Internet模式下只需1個(gè)）、1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、3個(gè)控制終端、3個(gè)LED 燈管。

表1 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包協(xié)議

實(shí)驗(yàn)主要對(duì)第③種控制方式進(jìn)行測(cè)試，流程如下：

（1）建立GPRS通訊。首先用手機(jī)向GPRS模塊發(fā)送指令 “BND＝XXXXXXXX：139XXXXXXX＃”，將控制手機(jī)的手機(jī)號(hào)綁定到GPRS 模塊，綁定成功后，用手機(jī)向GPRS模塊發(fā)送綁定數(shù)據(jù)中心域名及端口號(hào)指令 “DNS＝XXXXXXXX：Domain.NameXXX，port?！保袵PRS 模塊綁定到遠(yuǎn)程控制中心電腦，其中， “XXXXXXXX”為GPRS模塊操作密碼，“139XXXXXXX”為手機(jī)號(hào)。

（2）GPRS通信測(cè)試，在電腦和GPRS 模塊間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。

（3）LED 終端控制測(cè)試，控制界面如圖10所示。

圖11 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)連接

控制不同按鍵LED 終端顯示不同效果，LED 燈具1亮度為10%，燈具2和3 亮度為100%的效果如圖11 所示，調(diào)光占空比分別為10%、50%、75%的PWM 波形如圖12所示。

圖12 調(diào)光占空比為 （a）10%，（b）50%，（c）75%的PWM 波形

測(cè)試結(jié)果表明，這種方式操作簡(jiǎn)單，控制靈活，易于擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，此外還可以通過(guò)手機(jī)直接控制，或者把PC機(jī)和GPRS／232透?jìng)髂K一起作為服務(wù)器，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)控制，3 種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 3種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快的特點(diǎn)，以及ZigBee技術(shù)低功耗、短時(shí)延、大容量特點(diǎn)，本文開發(fā)了一種基于GPRS和ZigBee的LED 節(jié)能照明遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)，滿足了LED 燈光控制系統(tǒng)智能化、節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化等要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)靈活可靠、控制方便、易于擴(kuò)展、易于實(shí)現(xiàn)。目前已實(shí)現(xiàn)以下功能：①PC 機(jī)與GPRS模塊間數(shù)據(jù)通信安全可靠，可通過(guò)PC 機(jī)直接向GPRS模塊發(fā)送控制信息；②ZigBee協(xié)調(diào)器和控制終端組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，控制靈活可靠；③可通過(guò)PC 機(jī)上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程燈具的開關(guān)控制以及亮度的調(diào)節(jié)；④可通過(guò)3 種不同方式實(shí)現(xiàn)燈具的遠(yuǎn)程智能控制，控制靈活方便。

在此基礎(chǔ)上，今后的研究工作將從以下幾個(gè)方面深入下去：①組建更加復(fù)雜的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，多協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器之間相互通信，終端加入ID 身份識(shí)別功能，非識(shí)別ID終端將不能加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)；②實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的調(diào)光功能，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景效果以及不同藝術(shù)效果的呈現(xiàn)；③Zig－Bee協(xié)調(diào)器與RS485之間數(shù)據(jù)透?jìng)?，從而通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)多燈具的分布式控制；④燈具使用過(guò)程中，可通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)燈具的電壓值、電流值，方便燈具的日常維護(hù)。

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