龔佳妮，呂永旺，周南旭，劉燎原

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

現(xiàn)在智能產(chǎn)品越來越多地在生活中推廣應(yīng)用，智能家電也是家中常見的東西，如智能開關(guān)、智能窗簾、掃地機(jī)器人或者感知調(diào)光系統(tǒng)，采用各種感知控制進(jìn)行便利化生活已經(jīng)是日常生活的一部分。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)保護(hù)自然環(huán)境的重視，國內(nèi)在感知系統(tǒng)測(cè)控方面的研究日趨成熟。

燈光感知測(cè)控也是感知系統(tǒng)測(cè)控的一種，感應(yīng)開關(guān)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于照明、開關(guān)、安防3個(gè)領(lǐng)域。智慧景觀燈的設(shè)計(jì)就是利用太陽能供電下的自動(dòng)檢測(cè)行人、環(huán)境參數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)的一種節(jié)能技術(shù)。多棵智慧景觀樹通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了樹樹聯(lián)動(dòng)、樹與云聯(lián)動(dòng)。產(chǎn)品配合由大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及人工智能云計(jì)算中心共同建構(gòu)的管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了樹網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，使產(chǎn)品擁有極強(qiáng)的智慧處理能力[1]。

本文主要針對(duì)智慧樹中的路燈系統(tǒng)，介紹了一種根據(jù)物體靠近速度與距離進(jìn)行調(diào)光的一種設(shè)計(jì)方案，并且能通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)值傳輸。感知調(diào)光的依據(jù)奌主要有3個(gè)：環(huán)境光照度、有人進(jìn)到照明范圍、有人將要進(jìn)到照明范圍。基本的工作算法是當(dāng)周圍光照較亮?xí)r，景觀燈不開展照明工作，太陽能充電系統(tǒng)為系統(tǒng)供電蓄電池提供太陽能儲(chǔ)能充電；當(dāng)周圍光照低于一定值時(shí)，景觀燈開始照明工作；有人進(jìn)入照明范圍，則將根據(jù)行人距離景觀燈的距離來控制光照的強(qiáng)弱，同時(shí)依據(jù)樹樹聯(lián)合的檢測(cè)判斷出該行人將要進(jìn)入的下一個(gè)照明范圍，以提前將下一個(gè)景觀燈提高亮度，實(shí)現(xiàn)友好、安全照明。

1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)選擇

項(xiàng)目可用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是LoRa，ZigBee，WiFi等，本文在以下兩個(gè)方案中選擇。

方案1：選用ZigBee技術(shù)。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，其傳輸距離一般在10～75 m的范圍內(nèi)。

方案2：選用LoRa技術(shù)。LoRa 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433，868，915 MHz等。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗(電池壽命長(zhǎng))、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性。LoRa的發(fā)展勢(shì)頭很好，LoRa設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的增多，相互之間會(huì)出現(xiàn)一定的頻譜干擾[2]。

伴隨著LoRa技術(shù)的不斷壯大，LoRa無線通信設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)部署不斷地增加，彼此之間會(huì)發(fā)生相應(yīng)的頻帶影響。而且LoRa在布設(shè)過程中，需要用戶自己組建互聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用上要投入更大。而ZigBee的通信距離合適，抗干擾性強(qiáng)，費(fèi)用低且模塊易得，因此本設(shè)計(jì)采用方案1技術(shù)。

1.2 本文采用的ZigBee組網(wǎng)方式

如圖1所示為ZigBee組網(wǎng)方式，PC機(jī)服務(wù)器采集各個(gè)景觀燈的數(shù)據(jù)，包括紅外傳感器、環(huán)境參數(shù)等[3]。

圖1 ZigBee組網(wǎng)方式

1.3 系統(tǒng)通信和組網(wǎng)的過程

1.3.1 各類節(jié)點(diǎn)工作過程

(1)節(jié)點(diǎn)工作過程：終端節(jié)點(diǎn)的工作流程為：數(shù)據(jù)檢測(cè)—無線發(fā)送數(shù)據(jù)包—等待路由節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀。若沒有收到確認(rèn)幀則重發(fā)數(shù)據(jù)包；若收到確認(rèn)幀則進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)檢測(cè)。

(2)路由節(jié)點(diǎn)：接收數(shù)據(jù)包—發(fā)送確認(rèn)幀給終端節(jié)點(diǎn)—將數(shù)據(jù)包無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，等待協(xié)調(diào)器的確認(rèn)幀。若沒有收到確認(rèn)幀則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包；若收到確認(rèn)幀，則接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

(3)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：接收路由器的數(shù)據(jù)包，發(fā)送確認(rèn)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)包到串口，接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。如果接收節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器、路由器)處在非接收狀態(tài)下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)(終端、路由器)是要將數(shù)據(jù)重新傳輸?shù)摹?/p>

1.3.2 組網(wǎng)過程

組建一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟，即通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)初始化：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足以下兩點(diǎn)要求：(1)節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，具備ZigBee協(xié)調(diào)器的能力；(2)節(jié)點(diǎn)還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

2 調(diào)光工作模式

2.1 PWM波調(diào)光原理

生活中最常見的是用開關(guān)來控制燈的亮滅，可以有很明顯的亮和暗的變化。因?yàn)槿说囊曈X有1/24 s左右的視覺停留，所以當(dāng)開關(guān)的頻率高于這個(gè)值時(shí)，人就不會(huì)看見燈的亮滅閃爍，而是覺得亮度穩(wěn)定。在這個(gè)頻率下，每個(gè)周期中的正脈沖占整個(gè)脈沖周期的比值，即為這個(gè)頻率下的占空比。占空比從全為高電平的1可以變化到全為低電平的0，不同占空比下所輸出的能量是不一樣的，所控制的燈的亮度也就不一樣。占空比為1時(shí)，全功率亮燈，燈最亮；占空比為0時(shí)，沒有功率提供，因此燈實(shí)際上是滅的。由此可知調(diào)節(jié)這個(gè)占空比就能達(dá)到調(diào)光的目的，目前流行的一種調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)控制的調(diào)光方式就是PWM調(diào)光[4-5]。

在現(xiàn)實(shí)中不會(huì)有這樣的人為高頻開關(guān)動(dòng)作，但是用單片機(jī)輸出高頻脈沖就能實(shí)現(xiàn)。PWM調(diào)光方式是利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，在高于視覺停留的頻率下(比如高達(dá)50 Hz以上)控制不同占空比的調(diào)光技術(shù)。只需要提供不同寬窄的數(shù)字式脈沖，就可以很輕松的改變輸出電流的大小，從而調(diào)節(jié)光的亮度。

脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。

只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。假設(shè)一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)周期中，10%的時(shí)間為高電平，其余90%的時(shí)間為低電平。再假設(shè)供電電源為9 V，占空比為10%，則對(duì)應(yīng)的相當(dāng)于燈在10%周期內(nèi)亮，而90%周期內(nèi)是滅，因此這里的燈光亮度大約相當(dāng)于全亮?xí)r的10%。

2.2 調(diào)光模式

(1)環(huán)境光照度調(diào)光。

如圖2所示，環(huán)境光照強(qiáng)度越強(qiáng)，PWM波的占空比越低，即高電平所占周期比例越少，從而影響景觀燈的光強(qiáng)度變?nèi)酢．?dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度強(qiáng)到一定程度時(shí)，PWM波的占空比為零，此時(shí)景觀燈處在關(guān)閉電源輸出狀態(tài)，照明燈關(guān)閉[6-7]。

圖2 光照強(qiáng)度與PWM波占空比的關(guān)系

(2)紅外人體檢測(cè)。

系統(tǒng)安裝的紅外人體檢測(cè)可以檢測(cè)照明范圍內(nèi)是否有人進(jìn)入。在需要照明的條件下(如光線低到一定值)，有人經(jīng)過時(shí)實(shí)現(xiàn)依照環(huán)境光條件下的亮燈。

(3)判斷行人走向。

根據(jù)先后檢測(cè)的人體信號(hào)，系統(tǒng)算法可以判斷出行人行進(jìn)方向，從而提前點(diǎn)亮其前進(jìn)方向上的下一個(gè)燈，并關(guān)閉后向燈，以提高照明友好性。

如圖3所示，當(dāng)行人在街道1行走時(shí)，進(jìn)入A的范圍后A燈亮；慢慢行走至B點(diǎn)，進(jìn)入B的范圍，B亮A恢復(fù)原亮度，同時(shí)預(yù)判將進(jìn)入C，此時(shí)C亮度提高。再向前當(dāng)進(jìn)入十字路口，D和G同時(shí)亮起微光，行人左轉(zhuǎn)進(jìn)入街道2后，G滅D全亮，同時(shí)E也提高亮度。

圖3 十字路口景觀燈分布

3 智慧景觀燈PWM調(diào)光設(shè)計(jì)

3.1 控制芯片選型

系統(tǒng)選用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)和現(xiàn)地控制，其最小系統(tǒng)如圖4所示，CC2530有兩個(gè)晶振接口：高速晶振(一般32 MHZ)高精度的低速晶振(一般32.768 KHZ)，常用端口有去偶電容(PIN_40)和偏置電阻(PIN_30)IO口、復(fù)位電路(PIN_20)、下載仿真端口(VCC,GND,RESET,P2_1,P2_2)、射頻電路(PIN_25,PIN_26)，以及總計(jì)21個(gè)通用引腳 P0_0-P0_7,P1_0-P1_7,P2_0-P2_4[8]。

圖4 CC2530最小系統(tǒng)

3.2 PWM調(diào)光整體控制框圖

光照傳感器檢測(cè)到的外界環(huán)境光照度值以及紅外傳感器檢測(cè)到有人經(jīng)過的信號(hào)，均輸入給CC2530，經(jīng)過計(jì)算和判斷，形成控制的PWM波輸出到路燈驅(qū)動(dòng)電路，從而調(diào)節(jié)亮度[9-10]。PWM調(diào)光控制框圖如圖5所示。

圖5 PWM調(diào)光控制

3.3 PWM調(diào)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了確保不閃爍，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了f=100 Hz的工作頻率，可以知道單個(gè)周期為t=1/f=1 000 ms/100=10 ms。在10 ms周期下，以1ms為調(diào)節(jié)增量，則可選定調(diào)節(jié)的亮度級(jí)別為11級(jí)，如果需要更多亮度控制級(jí)，其控制過程與此處所給過程一致。其調(diào)節(jié)時(shí)的占空比與高、低電平輸出時(shí)間如表1所示[11]。

由上面看出，在軟件循環(huán)中，如果產(chǎn)生1 ms的時(shí)鐘中斷，則根據(jù)當(dāng)前的亮度要求，控制相應(yīng)連續(xù)中斷數(shù)來產(chǎn)生高低電平，就可以實(shí)現(xiàn)不同占空比的PWM輸出，從而控制亮度。從邏輯上看，以10為倍數(shù)構(gòu)成一個(gè)亮度調(diào)節(jié)周期(即10 ms)，每1 ms產(chǎn)生1個(gè)時(shí)鐘中斷，每次亮度調(diào)節(jié)周期開始時(shí)，即輸出高電平(亮度級(jí)級(jí)別為0時(shí)除外，此時(shí)直接輸出低電平)，而當(dāng)中斷數(shù)為亮度級(jí)別減1時(shí)則電平翻轉(zhuǎn)為低電平，直到到達(dá)10個(gè)時(shí)鐘中斷數(shù)。

比如目前確認(rèn)亮度為5，則根據(jù)表1所示，在連續(xù)4個(gè)中斷(即4 ms)中輸出高電平，連續(xù)6個(gè)中斷(即6 ms)中輸出低電平，即實(shí)現(xiàn)了占空比為40%的PWM波輸出，且頻率為100 Hz。

1 ms時(shí)鐘中斷的設(shè)置見下程序代碼說明，其中斷軟件的流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)光中斷處理流程

4 PWM波調(diào)光的主要軟件模塊

4.1 時(shí)鐘初始化

CC2530有4個(gè)時(shí)鐘：16MRC、32MOSC、32KRC、32.768K。無線通信時(shí)必須采用外部32M晶振。用到的寄存器：SLEEPCMD，SLEEPSTA，CLKCONCMD，CLKCONSTA。

void InitClock(void)

{

SLEEPCMD &= ～0x04;

while(!(SLEEPSTA & 0x40));

delay();

CLKCONCMD &= ～0x47;

while(CLKCONSTA & 0x40);

SLEEPCMD ∣= 0x04;

}

4.2 中斷定時(shí)器初始化

每1 ms設(shè)置一個(gè)中斷，采用定時(shí)器中斷的初始化如下代碼。

//定時(shí)器初始化

void InitT3()

{

T3CTL ∣= 0x08 ; //開溢出中斷

T3IE = 1; //開總中斷和 T3 中斷

T3CTL ∣=0XE0; //128 分頻,128/16000000*N=0.5S,N=65200

T3CTL &= ～0X03; //自動(dòng)重裝 00->0xff 65200/256=254(次)

T3CTL ∣=0X10; //啟動(dòng)

EA = 1; //開總中斷

}

4.3 主程序設(shè)置中斷調(diào)用辦法

void main(void) {

InitLed(); //調(diào)用初始化函數(shù)

InitT3();

while(1){}

}

#pragma vector = T3_VECTOR //定時(shí)器 T3

__interrupt void T3_ISR(void) {

IRCON = 0x00; //清中斷標(biāo)志, 也可由硬件自動(dòng)完成

}

5 結(jié)語

本文所介紹的方法用于基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智慧景觀樹的感知調(diào)光系統(tǒng)，在亮度調(diào)節(jié)上，先用1ms中斷實(shí)現(xiàn)了11級(jí)亮度調(diào)節(jié)，運(yùn)行效果完全正常。接著通過調(diào)節(jié)時(shí)鐘中斷的時(shí)長(zhǎng)和調(diào)節(jié)周期(f=100 Hz不變)，分別實(shí)現(xiàn)了50級(jí)、100級(jí)、256級(jí)亮度調(diào)節(jié)，均運(yùn)行正常。受時(shí)鐘中斷精度的影響，超過256級(jí)的調(diào)節(jié)，開始出現(xiàn)閃爍，測(cè)量輸出波形有較大干擾，基本不可用。而256級(jí)亮度調(diào)節(jié)已經(jīng)完全適應(yīng)于智慧景觀樹的路燈照明要求，因此測(cè)試結(jié)果表明，本文介紹的PWM調(diào)光辦法是能夠完全正常工作的。