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光源智能控制系統的一些研究，將無線通信技術引入LED照明無線控制系統，實現LED智能照明，與業界探討。
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協議棧，實現JenNet-IP的無線組網。
LED光源無線控制系統由無線網絡、上位機、LED燈及內嵌的智能控制終端組成，具有網絡自組織能力。本文選用JenNet-IP無線通信技術，每一個光源為一個節點，在JenNet-IP節點上加裝傳感器，負責采集光源環境亮度信息以及光源的工作狀態。JenNet-IP節點之間通過2.4GHz天線通信，網絡協調器通過串口將收集的數據傳送給上位機。
一、JenNet-IP技術
JenNet-IP是專為住宅，商業和工業應用而設計的，適合低成本網絡的消費者，如智能照明。JenNet-IP是一種基于IPv6 的低速無線個人局域網系統，其中棧的無線網絡層是恩智浦專有的JenNet協議即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。該協議具有相關的API 構成函數(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，可以用來開發應用程序在WPAN域節點的JN51x設備上運行。
2.C JIP API和Java JIP API：用來開發應用程序在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; 實現基于網絡IP的物聯網;具有可擴展的應用程序API，低內存占用，小于128K字節等特點。
二、LED光源無線控制系統總體設計
圖1給出LED光源無線控制系統總體框圖，以JN516x處理器為核心，通過控制外圍設備完成系統功能。LED光源內嵌的單燈控制器構成各分布節點;定時地將LED燈的工作狀態以無線數據包的形式通過2.4GHz天線發射，通過JenNet-IP網絡匯總到中心節點，中心節點將匯總的數據通過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光源無線控制系統總體框圖
圖2 系統硬件框圖
圖2 給出系統整體硬件框圖，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，中心協調器節點上具有串口模塊。
微處理器模塊負責整個LED智能照明系統的全自動組網、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絡的數據收發任務。傳感器模塊負責實時采集照明現場的光照度、移動目標、LED狀態等環境參數，分別轉發至微處理器MCU、主機處理器進行數據處理與實時顯示。RS232串口通信負責無線網絡與主機處理器的數據通信。
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、為復雜的無線協議提供高性能實現、高級語言的高效編碼(如C語言所提供的軟件開發工具包)。該JN516x采用統一的內存架構，程序存儲器、數據存儲器、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無線傳感網絡中的協調器網關節點與PC上位機之間雙向通信的橋梁，PC上位機通過RS232串口將LED控制命令實時發送至協調器網關節點，又借助RS232串口從協調器網關節點讀取無線傳感網絡實時采集到的光照度、LED狀態等數據信息，實時顯示。
JN516x有兩個通用異步接收器/發送器(UART)串行通信接口。接口輸入串行數據時進行串行到并行的轉換和從CPU輸出數據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據。
3.無線收發模塊
無線收發器包括2.45GHz的調制解調器、基帶處理器、安全協處理器和PHY控制器。通過一個協議棧庫，來實現以IEEE802.15.4標準為基礎的無線收發器。
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智能照明控制系統利用無線傳感網絡中分布的大量傳感器模塊實時采集LED照明現場的光照度、LED狀態等環境參數，并通過RF無線射頻模塊發送至無線傳感網絡中的協調器網關節點，MCU微處理器進行數據處理、邏輯分析與智能判斷，實現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，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調節，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，輸出數字開關量0;當自然光照度超過預設閾值時,，輸出數字開關量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精準轉換成數字量光照度，被RF無線射頻模塊發送到協調器網關節點，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LED的各種控制功能，并保證現場照明度基本不變。
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發光的色度。
三、系統軟件總體設計框架
LED光源無線控制系統的軟件設計主要是對JenNet-IP無線網絡的應用。LED光源無線控制系統的軟件總體框架如表1。
1. JenNet-IP無線網絡的組網實現
JenNet-IP無線傳感器網絡主要由協調器、路由器和終端設備三類節點構成。協調器節點作為JenNet-IP無線傳感網絡的控制中心,主要負責選擇網絡要使用的無線通道、啟動網絡、允許其他節點與它相連(即組成網絡),并與主機通過RS232串口進行雙向通信,保證下位機的信息數據實時上傳,和主機的控制命令及時下傳;路由器節點主要負責將消息從一個節點傳遞到另一個節點(路由);允許其他節點與它相連(即，組成網絡),可以作為遠距離通信的信息數據中轉站,實現JenNet-IP網絡的多跳路由數據通信;終端設備的大部分節點是LED燈具節點,接收無線傳感網絡的開關、調光等照明控制命令,保證照明現場的光照度基本不變;另一部分節點作為傳感器釆集節點,負責實時采集照明現場的光照度、LED工作狀態等環境參數,并將數據廣播至整個JenNet-IP無線傳感網絡。
2.地址分配
為了管理多個無線網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絡。節點必須能夠識別它所屬的網絡。在一個JenNet-IP系統的無線網絡中，使用PAN(個人局域網)ID來識別。
PAN ID是IEEE 802.15.4協議使用的一個16位值。軟件棧的較低層使用它來識別網絡，ID在工作環境中應該是獨一無二的，也就是說，它不能和鄰近網絡的PAN ID相沖突。
PAN ID可以在協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，協調器將隨意選擇一個初始PAN ID，然后通過“監聽”其他網絡的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，協調器就使用這個PAN ID(不管它是否與另一個網絡的PAN ID沖突)。
網絡中每個節點分配一個地址，用于節點尋址。在一個無線網絡中，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系統中，一個無線網絡節點使用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
在無線網絡中，一個消息從一個節點發送到另一個節點通常需要通過一個或多個中間節點，然后到達最終的目的節點。傳遞一個消息(不處理消息的內容)的過程稱為路由，可以執行路由的節點是路由器和協調器。在JenNet-IP中，樹型路由只用于單播。對于一個廣播，源節點在無線電通信范圍內發送消息給所有節點，然后每個接收路由器節點再次廣播消息(但只是首次接收到的消息)。到一組節點的多播處理成具有一個多播地址的廣播，多播地址與這個節點組相對應。
在樹型網絡中，傳輸時消息只能沿著樹向上傳遞到父節點或者沿著樹向下傳遞到一個子節點(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點和目標節點的首個公共祖先，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點。如果協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：目標節點的地址和“下一跳”節點的地址。后者在消息通過網絡傳播時由路由節點修改，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調器中。這個信息包括節點地址，存放在鄰居表和路由表的節點上。 鄰居表：包含所有的直接子節點以及節點的父輩; 路由表：包含所有非直接子節點的孫節點(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點。由于協調器位于樹的根部，因此知道網絡中的所有節點。這兩個表在網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點，如果是，就將消息傳遞給相應的子節點。
(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點，如果是，就將消息傳遞給相應的中間子節點(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點進行進一步路由。至于協調器，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協議棧，實時采集LED照明現場的環境參數，通過JenNet-IP無線傳感網絡來進行信息通信，并且實時采集LED光源的環境參數，經過JN516x芯片的邏輯判斷和智能分析后，實現智能調光、分組群控、情景模式等功能。——本文節選自第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)
