智能照明如今是半導體照明領域的熱點話題，本文主要介紹無線家居LED光源智能控制系統(tǒng)的一些研究，將無線通信技術引入LED照明無線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)LED智能照明，與業(yè)界探討。

       研究以LED光源為控制對象，使用恒流驅動電源，JN516x微處理器通過相關模塊，采用PWM脈沖調光技術來進行線性調光。運用JenNet-IP無線網(wǎng)絡技術，選用樹形拓撲結構來進行實時控制，并使用JenNet-IP WPAN協(xié)議棧，實現(xiàn)JenNet-IP的無線組網(wǎng)。

       LED光源無線控制系統(tǒng)由無線網(wǎng)絡、上位機、LED燈及內嵌的智能控制終端組成，具有網(wǎng)絡自組織能力。本文選用JenNet-IP無線通信技術，每一個光源為一個節(jié)點，在JenNet-IP節(jié)點上加裝傳感器，負責采集光源環(huán)境亮度信息以及光源的工作狀態(tài)。JenNet-IP節(jié)點之間通過2.4GHz天線通信，網(wǎng)絡協(xié)調器通過串口將收集的數(shù)據(jù)傳送給上位機。

一、JenNet-IP技術

       JenNet-IP是專為住宅，商業(yè)和工業(yè)應用而設計的，適合低成本網(wǎng)絡的消費者，如智能照明。JenNet-IP是一種基于IPv6 的低速無線個人局域網(wǎng)系統(tǒng)，其中棧的無線網(wǎng)絡層是恩智浦專有的JenNet協(xié)議即JenNet-IP WPAN棧，JenNet-IP還有一個額外的接口層稱為JIP(JenNet-IP)。允許用戶的應用程序對設備進行訪問。該協(xié)議具有相關的API 構成函數(shù)(和相關的資源)，使訪問更加便捷：

       1.JIP嵌入式API：這是一個C API，可以用來開發(fā)應用程序在WPAN域節(jié)點的JN51x設備上運行。

       2.C JIP API和Java JIP API：用來開發(fā)應用程序在LAN/WAN設備(如PC、平板電腦或手機)上運行。C JIP API也可用來開發(fā)Border-Router的LAN/WAN側的應用程序，并且只能在基于Linux的平臺上使用。

       JenNet-IP具有高度可靠，易于擴展; 實現(xiàn)基于網(wǎng)絡IP的物聯(lián)網(wǎng);具有可擴展的應用程序API，低內存占用，小于128K字節(jié)等特點。

二、LED光源無線控制系統(tǒng)總體設計

       圖1給出LED光源無線控制系統(tǒng)總體框圖，以JN516x處理器為核心，通過控制外圍設備完成系統(tǒng)功能。LED光源內嵌的單燈控制器構成各分布節(jié)點;定時地將LED燈的工作狀態(tài)以無線數(shù)據(jù)包的形式通過2.4GHz天線發(fā)射，通過JenNet-IP網(wǎng)絡匯總到中心節(jié)點，中心節(jié)點將匯總的數(shù)據(jù)通過RS-232串口傳送到主機處理器;經過主機處理器的邏輯判斷與智能分析后，實現(xiàn)智能調光、分組群控、情景模式等復雜功能。

       圖1 LED光源無線控制系統(tǒng)總體框圖

       圖2 系統(tǒng)硬件框圖

       圖2 給出系統(tǒng)整體硬件框圖，包括電源電路、復位電路、時鐘模塊、串口模塊、亮度檢測模塊等。其中，中心協(xié)調器節(jié)點上具有串口模塊。

       微處理器模塊負責整個LED智能照明系統(tǒng)的全自動組網(wǎng)、邏輯判斷、智能分析、上位機通信等任務。RF無線射頻模塊負責無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收發(fā)任務。傳感器模塊負責實時采集照明現(xiàn)場的光照度、移動目標、LED狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)，分別轉發(fā)至微處理器MCU、主機處理器進行數(shù)據(jù)處理與實時顯示。RS232串口通信負責無線網(wǎng)絡與主機處理器的數(shù)據(jù)通信。

       1.JN516x微處理器

       JN516x芯片是一個32位的RISC CPU，具有嵌入式閃存和帶電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)，允許軟件片上運行，架構了三個關鍵要求：低功耗電池供電、為復雜的無線協(xié)議提供高性能實現(xiàn)、高級語言的高效編碼(如C語言所提供的軟件開發(fā)工具包)。該JN516x采用統(tǒng)一的內存架構，程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、外圍設備和I / O端口都在同一個線性地址空間內。

       2.串口通信模塊

       RS232串口通信模塊是JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡中的協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點與PC上位機之間雙向通信的橋梁，PC上位機通過RS232串口將LED控制命令實時發(fā)送至協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，又借助RS232串口從協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點讀取無線傳感網(wǎng)絡實時采集到的光照度、LED狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，實時顯示。

       JN516x有兩個通用異步接收器/發(fā)送器(UART)串行通信接口。接口輸入串行數(shù)據(jù)時進行串行到并行的轉換和從CPU輸出數(shù)據(jù)到外部設備時進行串行到并行的轉換。具有可配置的FIFO緩沖器(具有16字節(jié)的默認深度)允許CPU來讀取和寫入每個事務的多個字符。這意味著，CPU可以在逐字符的基礎上處理數(shù)據(jù)。

       3.無線收發(fā)模塊

       無線收發(fā)器包括2.45GHz的調制解調器、基帶處理器、安全協(xié)處理器和PHY控制器。通過一個協(xié)議棧庫，來實現(xiàn)以IEEE802.15.4標準為基礎的無線收發(fā)器。

       JN516x器件提供一個天線分集裝置，允許2根天線連接到器件上。一旦當前天線的發(fā)送或接收性能比較差時，就自動切換到備用天線。2根天線通過一個2-state開關連接到JN516x器件，如圖3-6所示。在一個位置(例如，DIO12-13 = 10)，開關將JN516x器件的RF_IN引腳與一根天線相連;在另一個位置(例如，DIO12-13= 01)，開關將這個引腳與另一根天線相連。

       圖3 天線分集的連接

       4.傳感器采集模塊

       LED智能照明控制系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡中分布的大量傳感器模塊實時采集LED照明現(xiàn)場的光照度、LED狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)，并通過RF無線射頻模塊發(fā)送至無線傳感網(wǎng)絡中的協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，MCU微處理器進行數(shù)據(jù)處理、邏輯分析與智能判斷，實現(xiàn)LED的PWM線性無極智能調光、分組群控、情景模式等復雜功能，光照補償后保證照明現(xiàn)場的自然光照度基本不變，改善照明質量。

       傳感器使用光敏電阻來采集自然光照度。在無光照射時，它呈高阻態(tài)，當有光照射時，其電阻值迅速減小。采用光敏電阻作為模擬信號的輸入，通過ADC通道進行單次采樣，連接一路AD，用來采樣環(huán)境亮度信息。光敏電阻的靈敏度即預設閥值由電位器進行動態(tài)調節(jié)，滿足LED智能照明的多元化控制方式：

       1.光電開關控制：將模擬量光照度輸入至雙電壓比較器，當自然光照度達不到光敏電阻的預設閾值時，輸出數(shù)字開關量0;當自然光照度超過預設閾值時,，輸出數(shù)字開關量1。開關量0或1可以直接驅動繼電器的光電開關，實現(xiàn)LED的光電開關控制。

       2.PWM脈沖控制：將模擬量光照度輸入至JN516x的I/O引腳，利用自帶的12位ADC精準轉換成數(shù)字量光照度，被RF無線射頻模塊發(fā)送到協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，與光照度預設閾值進行逐一比對，產生相應的PWM脈沖信號，配合PT4115恒流源驅動器實現(xiàn)LED的各種控制功能，并保證現(xiàn)場照明度基本不變。

       5.PWM調光

       PT4115采用PWM調光措施，PT4115可以在DIM管腳加PWM信號進行調光，DIM管腳電壓低于0.3V關斷LED電流，高于2.5V全部打開LED電流，PWM調光的頻率范圍從100Hz到20KHz以上。當高電平在0.5V到2.5V之間，也可以調光。

       PWM調光措施相對于傳統(tǒng)的線性調光，不影響LED的光效。PWM調光的基本原理是保持 LED正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例 ，即控制每個周期電流導通的時間。PWM調光的優(yōu)勢是 LED正向導通的電流一直是恒定的，LED的色度就不會像 模擬調光一樣會變化。PWM調光可以在精確控制LED的亮度的同時，也保證LED發(fā)光的色度。

三、系統(tǒng)軟件總體設計框架

       LED光源無線控制系統(tǒng)的軟件設計主要是對JenNet-IP無線網(wǎng)絡的應用。LED光源無線控制系統(tǒng)的軟件總體框架如表1。

       1. JenNet-IP無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)實現(xiàn)

       JenNet-IP無線傳感器網(wǎng)絡主要由協(xié)調器、路由器和終端設備三類節(jié)點構成。協(xié)調器節(jié)點作為JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡的控制中心,主要負責選擇網(wǎng)絡要使用的無線通道、啟動網(wǎng)絡、允許其他節(jié)點與它相連(即組成網(wǎng)絡),并與主機通過RS232串口進行雙向通信,保證下位機的信息數(shù)據(jù)實時上傳,和主機的控制命令及時下傳;路由器節(jié)點主要負責將消息從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點(路由);允許其他節(jié)點與它相連(即，組成網(wǎng)絡),可以作為遠距離通信的信息數(shù)據(jù)中轉站,實現(xiàn)JenNet-IP網(wǎng)絡的多跳路由數(shù)據(jù)通信;終端設備的大部分節(jié)點是LED燈具節(jié)點,接收無線傳感網(wǎng)絡的開關、調光等照明控制命令,保證照明現(xiàn)場的光照度基本不變;另一部分節(jié)點作為傳感器釆集節(jié)點,負責實時采集照明現(xiàn)場的光照度、LED工作狀態(tài)等環(huán)境參數(shù),并將數(shù)據(jù)廣播至整個JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡。

       2.地址分配

       為了管理多個無線網(wǎng)絡工作在同一個空間或相鄰空間的情況，就要識別某一個特定的無線網(wǎng)絡。節(jié)點必須能夠識別它所屬的網(wǎng)絡。在一個JenNet-IP系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡中，使用PAN(個人局域網(wǎng))ID來識別。

       PAN ID是IEEE 802.15.4協(xié)議使用的一個16位值。軟件棧的較低層使用它來識別網(wǎng)絡，ID在工作環(huán)境中應該是獨一無二的，也就是說，它不能和鄰近網(wǎng)絡的PAN ID相沖突。

       PAN ID可以在協(xié)調器的用戶應用程序代碼中預先設置： 如果PAN ID預先設置成0FFFF，協(xié)調器將隨意選擇一個初始PAN ID，然后通過“監(jiān)聽”其他網(wǎng)絡的PAN ID 來驗證它是否是唯一的(不斷選擇一個隨機PAN ID，直至找到一個不與其他網(wǎng)絡的PAN ID相沖突的值);如果PAN ID預先設置成任何其他的有效值，協(xié)調器就使用這個PAN ID(不管它是否與另一個網(wǎng)絡的PAN ID沖突)。

       網(wǎng)絡中每個節(jié)點分配一個地址，用于節(jié)點尋址。在一個無線網(wǎng)絡中，通常使用的是設備的IEEE或MAC地址。這是一個IEEE 分配的64位的地址，唯一地標識一個設備。在6LoWPAN系統(tǒng)中，一個無線網(wǎng)絡節(jié)點使用IPv6地址來識別，是一個128位的地址，前64位(位127-64)識別網(wǎng)絡，后64位(位63-0)識別設備。在JenNet-IP中，地址的第2部分(稱為主機接口ID)由設備的MAC地址提供，主機接口ID的位57位反相就形成了MAC地址。

       3.路由算法

       在無線網(wǎng)絡中，一個消息從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點通常需要通過一個或多個中間節(jié)點，然后到達最終的目的節(jié)點。傳遞一個消息(不處理消息的內容)的過程稱為路由，可以執(zhí)行路由的節(jié)點是路由器和協(xié)調器。在JenNet-IP中，樹型路由只用于單播。對于一個廣播，源節(jié)點在無線電通信范圍內發(fā)送消息給所有節(jié)點，然后每個接收路由器節(jié)點再次廣播消息(但只是首次接收到的消息)。到一組節(jié)點的多播處理成具有一個多播地址的廣播，多播地址與這個節(jié)點組相對應。

       在樹型網(wǎng)絡中，傳輸時消息只能沿著樹向上傳遞到父節(jié)點或者沿著樹向下傳遞到一個子節(jié)點(消息從這兒傳遞)。消息在這些“跳躍(hop)”中沿著樹向上傳遞直至到達源節(jié)點和目標節(jié)點的首個公共祖先，然后消息通過另一條支路沿著樹向下回傳直至到達目的節(jié)點。如果協(xié)調器是唯一的公共祖先，消息就只到達樹的頂部。為了路由，消息包含2個地址：目標節(jié)點的地址和“下一跳”節(jié)點的地址。后者在消息通過網(wǎng)絡傳播時由路由節(jié)點修改，變得與最后一跳的目標地址相同。

       路由機制要求路由信息保存在路由器和協(xié)調器中。這個信息包括節(jié)點地址，存放在鄰居表和路由表的節(jié)點上。 鄰居表：包含所有的直接子節(jié)點以及節(jié)點的父輩; 路由表：包含所有非直接子節(jié)點的孫節(jié)點(樹型中的低層)。 同時，這兩個表讓路由器了解到樹中所有的孫節(jié)點。由于協(xié)調器位于樹的根部，因此知道網(wǎng)絡中的所有節(jié)點。這兩個表在網(wǎng)絡初始化和形成時就由棧自動配置好。

       接收消息時，一個路由器節(jié)點完成路由算法過程如圖4所示：

       (1)路由器首先檢查最終目標地址，確定消息是否傳遞給它自己，如果是，就處理消息的內容。

       (2)如果不是上面的檢查結果，路由器就檢查自己的鄰居表，確定消息是否傳遞給它的其中一個直接子節(jié)點，如果是，就將消息傳遞給相應的子節(jié)點。

       (3)如果前面的結果都不是，路由器就檢查自己的路由表，確定消息是否傳遞給它的一個其他孫子節(jié)點，如果是，就將消息傳遞給相應的中間子節(jié)點(路由器)。

       (4)如果前面的結果都不是，路由器就將消息沿著樹向上傳遞給它的父節(jié)點進行進一步路由。至于協(xié)調器，除了消息不能進一步沿著樹向上傳遞之外，路由機制與路由器完全類似。

       本文對基于JenNet-IP的 LED智能照明控制系統(tǒng)進行了研究與設計。LED光源內嵌控制終端，電源采用恒流驅動技術，運用PWM脈沖調光技術實現(xiàn)PWM線性調光。控制策略則運用JenNet-IP無線技術，并結合樹形拓撲結構的JenNet-IP WPAN協(xié)議棧，實時采集LED照明現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，通過JenNet-IP無線傳感網(wǎng)絡來進行信息通信，并且實時采集LED光源的環(huán)境參數(shù)，經過JN516x芯片的邏輯判斷和智能分析后，實現(xiàn)智能調光、分組群控、情景模式等功能。——本文節(jié)選自第6期《半導體照明》雜志)

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詳情查閱：2015年第6期(總第64期)