徐 銘 棟， 成 育 凱， 張 環(huán) 月， 劉 美 言， 陳 立 崟， 高 英 明

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連 116034；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

照度是評(píng)價(jià)照明效果的重要指標(biāo)。照度分布不隨時(shí)間變化的環(huán)境為靜態(tài)光環(huán)境，否則稱(chēng)為動(dòng)態(tài)光環(huán)境。由于無(wú)法同時(shí)對(duì)所有被測(cè)點(diǎn)的照度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于應(yīng)用多點(diǎn)照度測(cè)量來(lái)評(píng)價(jià)光環(huán)境的整體照明指標(biāo)，如照度均勻度等，采用人工逐點(diǎn)測(cè)量方法無(wú)法得到準(zhǔn)確結(jié)果。傳統(tǒng)的照度測(cè)量方法自動(dòng)化程度低、采集范圍小，且不便于數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用，因此難以適用于動(dòng)態(tài)光環(huán)境的照明效果評(píng)價(jià)。

針對(duì)傳統(tǒng)的照度測(cè)量方法采集范圍小的缺點(diǎn)，王國(guó)建等[1]提出的分布式照度采集系統(tǒng)，利用嵌入式TCP/IP技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了照度信息遠(yuǎn)程采集、集中處理與網(wǎng)絡(luò)共享。采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)[2-5]，與分布式照度采集系統(tǒng)相比具有組網(wǎng)靈活，便于布置的優(yōu)點(diǎn)。

本研究針對(duì)大空間動(dòng)態(tài)光環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)具有照度實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸、測(cè)量面積大等特點(diǎn)，能夠很好地評(píng)價(jià)大空間動(dòng)態(tài)光環(huán)境的整體照明效果。

1 分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)包括照度采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，它們通過(guò)ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，構(gòu)成以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。照度采集節(jié)點(diǎn)由電池供電，包括供電單元、采集單元、處理單元與通信單元，小巧且易于布置。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起創(chuàng)建分布式照度測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，接收來(lái)自照度采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給上位機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇工作電壓相重疊的器件，這樣采用統(tǒng)一的電壓便可為系統(tǒng)供電。

圖1 分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 The overall design of distributed wireless illumination measurement system

1.2 照度采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

照度采集節(jié)點(diǎn)如圖2所示，由2節(jié)AA電池供電。供電單元電路如圖3所示，采用升壓型DC/DC MAX756，可使電池的能量充分釋放[6]。MAX756的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)90%，具有電池監(jiān)控功能，電池電壓監(jiān)控可通過(guò)R3與R5測(cè)定，監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)引腳LBO_OUT輸出。MAX756可選擇輸出5 V或3.3 V電壓，引腳2接地輸出5 V 電壓，引腳2接輸出端則輸出3.3 V電壓，本設(shè)計(jì)采用3.3 V的輸出電壓為采集節(jié)點(diǎn)供電。

處理單元采用低電壓STC15F2K08S2單片機(jī)，它集成高精度RC時(shí)鐘，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，只要提供2.4～3.6 V的電壓就可以工作[7]。處理單元電路如圖4所示，單片機(jī)的引腳分配給采集單元，供電單元和通信單元，用于測(cè)量照度、監(jiān)控電池和收發(fā)數(shù)據(jù)。引腳BH1750_SDA和BH1750_SCL與BH1750照度傳感器的I2C總線(xiàn)相連；引腳LBO_OUT與供電單元相連，用于監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，電池電壓低于閾值時(shí)產(chǎn)生中斷；引腳A00～A12，M00～M01，REST，RxD_ZB與TxD_ZB與通信單元相連，分別用于設(shè)置通信地址與模式，復(fù)位通信單元和傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 照度采集節(jié)點(diǎn)Fig.2 Illuminance collecting node

圖3 供電單元電路Fig.3 The circuit of power supply unit

通信單元由ZigBee串口透?jìng)鞣桨竄AuZx_T的路由器設(shè)備組成，通信單元電路如圖5所示。上電后與P1.0引腳連接的LED在未加入網(wǎng)絡(luò)之前呈閃爍狀態(tài)，成功加入網(wǎng)絡(luò)后便處于點(diǎn)亮狀態(tài)。因此，這種指示功能不宜在功耗要求苛刻的場(chǎng)合中使用。由于單片機(jī)的串口1用于ISP在程序開(kāi)發(fā)時(shí)輸出調(diào)試信息，為了避免對(duì)ZAuZx_T造成干擾，使單片機(jī)的串口2與其相連。

圖4 處理單元電路Fig.4 The circuit of processing unit

圖5 通信單元電路Fig.5 The circuit of communication unit

ZigBee串口透?jìng)鞣桨竄AuZx_T的支持3種通信模式，分別是廣播模式、一對(duì)多模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，通信模式由模塊的P1.3和P1.5引腳的電平狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)使用一對(duì)多通信模式，此時(shí)P1.5接低電平，P1.3接高電平。串口透?jìng)鞣桨竄AuZx_T的一對(duì)多模式可以構(gòu)成形如“服務(wù)器-多傳感器終端”的一對(duì)多采集結(jié)構(gòu)，該模式下協(xié)調(diào)器從串口接收的數(shù)據(jù)包會(huì)完全透明地傳輸?shù)剿新酚晒?jié)點(diǎn)，系統(tǒng)如同直接使用串口進(jìn)行通信，所發(fā)即所得。

1.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由ZigBee透?jìng)鞣桨竄AuZx_T主機(jī)模塊構(gòu)成的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，接收由各照度采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的照度數(shù)據(jù)之后上傳到上位機(jī)，以便進(jìn)行后序的數(shù)據(jù)處理工作，如照度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、進(jìn)行照度計(jì)算與結(jié)果顯示等，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)如圖6所示。上位機(jī)發(fā)給采集節(jié)點(diǎn)的“啟動(dòng)”/“停止”等命令通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZAuZx_T主機(jī)模塊通過(guò)CH340G與上位機(jī)的USB接口相連，主機(jī)模塊的地址引腳均懸空，通過(guò)2段撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置工作模式，LED上電閃爍幾次后便處于點(diǎn)亮指示狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路如圖7所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器Fig.6 Coordinator node

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路Fig.7 The circuit of coordinator node

2 分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

采用ZigBee串口透?jìng)骷夹g(shù)可以不必過(guò)多關(guān)注較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，減小了程序設(shè)計(jì)的工作量，加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。照度采集節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：傳感器、單片機(jī)與通信模塊的初始化，照度測(cè)量與數(shù)據(jù)發(fā)送/接收等。程序流程如圖8所示。

圖8 照度測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.8 The flow chart of illuminance collecting node program

2.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了傳輸數(shù)據(jù)與指令，系統(tǒng)定義了命令幀與數(shù)據(jù)幀。命令幀是上位機(jī)下行發(fā)送給照度采集節(jié)點(diǎn)的，用于使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)幀是照度采集節(jié)點(diǎn)上行發(fā)送給上位機(jī)的，用于傳輸照度測(cè)量結(jié)果。

命令幀共4字節(jié)，第1字節(jié)存放幀類(lèi)型，用于控制采集節(jié)點(diǎn)的程序進(jìn)入相應(yīng)的解包過(guò)程；第2字節(jié)存放命令碼，0xAA表示“連續(xù)測(cè)量”，0xBB代表“單次測(cè)量”，0xCC表示“停止測(cè)量”；第3字節(jié)為采樣間隔，只對(duì)連續(xù)測(cè)量模式有效；第4字節(jié)為幀結(jié)束標(biāo)志，用以提示上位機(jī)數(shù)據(jù)接收完成。

數(shù)據(jù)幀共6字節(jié)，第1字節(jié)存放幀類(lèi)型，作用與命令幀的相同；第2、3字節(jié)存放照度傳感器BH1750測(cè)量結(jié)果的高8位與低8位；第4字節(jié)為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，用于區(qū)分檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；第5字節(jié)為數(shù)據(jù)幀編號(hào)，表示照度測(cè)量的順序號(hào)，初值為0，每完成一次測(cè)量編號(hào)便加1，溢出后由程序清零，重新計(jì)數(shù)；第6字節(jié)為幀結(jié)束標(biāo)志。

2.3 數(shù)據(jù)同步

系統(tǒng)采用串口透?jìng)鞣桨竄AuZx_T的一對(duì)多通信模式，此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)逐個(gè)發(fā)送命令給采集節(jié)點(diǎn)，存在發(fā)送時(shí)延。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)逐個(gè)接收各采集節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)，存在接收時(shí)延。顯然最大發(fā)送時(shí)延與最大接收時(shí)延會(huì)隨著采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而增加。假設(shè)系統(tǒng)有M個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，在連續(xù)測(cè)量模式下分別發(fā)送的N組數(shù)據(jù)可構(gòu)成一個(gè)二維數(shù)組L，其中數(shù)組的行號(hào)i(1≤i≤M)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)，數(shù)組的列號(hào)j(1≤j≤N)與幀編號(hào)(節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的順序)對(duì)應(yīng)。數(shù)組的元素Li，j即為編號(hào)為i的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的第j組照度。i與j都可通過(guò)收到的數(shù)據(jù)幀中的對(duì)應(yīng)字節(jié)確定。上位機(jī)通過(guò)對(duì)二維數(shù)組結(jié)構(gòu)每列元素的訪(fǎng)問(wèn)，消除接收時(shí)延的影響提高數(shù)據(jù)的同步性。

3 系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)。將照度采集節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)一同放在標(biāo)定裝置上，確保照度采集節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)在等照度面，在不啟用人工照明的情況下使用兩個(gè)照度采集設(shè)備測(cè)量室內(nèi)照度。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析后得出結(jié)論：與標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)相比，分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)誤差平均值為±3.56%，系統(tǒng)測(cè)量精度可以達(dá)到0.5 lx。

完成系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行了照度測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。動(dòng)態(tài)光環(huán)境照度測(cè)量需要對(duì)多個(gè)被測(cè)點(diǎn)的照度進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)方法采用國(guó)家照明測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 5700—2008)規(guī)定的中心布點(diǎn)法，將照明區(qū)域劃分為若干正方形網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元中心作為被測(cè)點(diǎn)放置照度采集節(jié)點(diǎn)[8]。在室內(nèi)測(cè)量中，網(wǎng)格單元間距0.5～10 m；在室外測(cè)量中，網(wǎng)格單元間距2～10 m，具體布局需要根據(jù)被測(cè)場(chǎng)所的實(shí)際情況而定。

實(shí)驗(yàn)使用了1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，6個(gè)照度采集節(jié)點(diǎn)，每隔5 m放置一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采用“一對(duì)多”通信方式。實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇早上6～8點(diǎn)，因?yàn)檫@段時(shí)間太陽(yáng)剛剛升起，光照強(qiáng)度變化比較明顯。實(shí)驗(yàn)環(huán)境選在研究所大廳，大廳內(nèi)各處采光情況不同，便于模擬大空間動(dòng)態(tài)光環(huán)境以滿(mǎn)足測(cè)試要求。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是照度采集節(jié)點(diǎn)將所測(cè)量的照度與自身的標(biāo)識(shí)發(fā)送給上位機(jī)，首先，通過(guò)拔碼開(kāi)關(guān)將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為一對(duì)多通信模式(照度采集節(jié)點(diǎn)的通信模式在節(jié)點(diǎn)程序的初始化階段設(shè)定)；其次，將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)插入上位機(jī)的USB接口，啟動(dòng)上位機(jī)的串口助手，選擇與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接的串口，設(shè)置波特率與數(shù)據(jù)格式；最后，啟動(dòng)6個(gè)采集節(jié)點(diǎn)(通信模式在初始化階段完成)，每隔5 min采集一次數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)觀察結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，可以看出，分布式無(wú)線(xiàn)照度測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量出各被測(cè)點(diǎn)的照度變化，測(cè)量結(jié)果反映出照度隨時(shí)間變化逐漸增大的線(xiàn)性變化趨勢(shì)。

圖9 照度采集與傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 The result of illumination acquisition and transmission

4 結(jié) 論

采用ZigBee串口透?jìng)骷夹g(shù)設(shè)計(jì)了面向大空間動(dòng)態(tài)光環(huán)境評(píng)價(jià)的分布式照度測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)相對(duì)誤差為±3.56%，精度可以達(dá)到0.5 lx，驗(yàn)證了系統(tǒng)照度測(cè)量與數(shù)據(jù)通信功能。照度采集節(jié)點(diǎn)由兩節(jié)AA電池供電，尺寸小巧便于布置。采集節(jié)點(diǎn)具有電池監(jiān)控能力，用于提示更換電池。在一對(duì)多通信模式的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)據(jù)同步方法，該方法通過(guò)數(shù)據(jù)幀中幀編號(hào)的設(shè)計(jì)消除了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的時(shí)延，提高了數(shù)據(jù)同步性。