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摘要：针对小区照明的特点，设计了以无线通信芯片nRF905作为传输介质的智能照明控制系统。本文重点介绍控制系统智能节点的设计。实验证明该系统具有可靠性高和实用性强等特点
关键词：照明；nRF905；智能节点；智能小区
随着照明系统应用场合的不断变化，应用情况复杂和多样化，仅靠简单的开关已不能完成所需要的控制，所以要求照明控制也应随之智能化，以满足实际应用的需要。目前智能照明控制系统采用的是有线的控制方式，该方式需要复杂的综合布线施工，更改节点或是增加节点很不方便，阻碍了智能照明的广泛应用。本文针对小区照明的特点，设计基于nRF905智能照明无线控制系统。
智能照明控制系统
小区的智能照明控制系统主要由控制中心和智能节点组成。在本文中智能照明控制系统采用了星型拓扑结构，由一个与计算机相连的无线通信模块作为系统的控制中心，可以跟控制系统中的任何一个智能节点通信，负责系统数据的接收与管理、控制命令的发送、系统工作过程的实时显示等。智能节点按照小区的规则分布在小区的各个部分，负责照明的控制，并且对控制中心发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。智能节点也可以脱离控制中心，直接进行现场手动控制。建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。该控制系统采用的星型拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加系统中节点，满足小区在以后增减节点的需要、而且成本低。实践证明，星形网络结构简单，实用可靠。系统结构框图如图1所示。
系统硬件设计
·主要元件
从成本和难易程度考虑，系统微处理器采用Atmel公司的AT89C52单片机为微控制器。AT89C52具有8k字节的闪烁可编程及可擦除只读存储器，256字节的RAM，4个并行口，3个16位定时器计数器，两种优先级的6个中断源，一个全双工串行口，片内振荡器与时钟电路。
nRF905是Nordic公司的单片射频收发器，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加滤波器，采用CRC校验(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，其功耗低。11RF90S传输速率为100kbit/s，在微波炉、手机信号等干扰情况下，传输速率会有所下降。nRF905在空旷地传输距离为S00m，有墙体建筑物等障碍时，其传输距离有所减小；在1～2栋建筑物阻隔的情况下、其传输距离不少于100m。nRF90S采用CRC校验，有良好的抗干扰性；密钥管理和跳频技术使其具有很好安全性。nRF905芯片传输距离、穿透能力、抗干扰性和安全性等都适合于小区无线数据传输。
·智能节点
智能节点可以通过无线的方式实现对小区各部分照明的控制、预设照明开关存储等功能、也可以直接通过节点上的按键来控制灯的开启和使其进入某种预设的工作方式。智能节点主要由微处理器、无线芯片nRF90S、电源模块、传感器和执行器等组成，其结构框图如图2所示。
智能节点的电源来自220V电压，需要电源转换电路。为保证系统判断传感器输入信号的稳定性，电源转换电路采用如下设计：选用专为通信控制芯片提供转换电压的LM1117为转换芯片，它具有功耗低，体积小等优点。同时在电源电路中加入220μH的电感，与并入多个不同容值的电容所构成的滤波电路来抑制各种高频信号，使智能节点能够得到稳定可靠且低干扰的电源，保证其可靠运行。nRF905射频部分的电路设计也是智能节点设计的重点与难点，而抗干扰设计直接关系到射频性能和整个智能节点的运转情况。在nRF90S射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低干扰提高抗干扰能力的有效手段。布线时需要注意以下几点：一是射频部分电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的：nKF90S芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将nRF905芯片底部和地层相连：尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，器件要紧密地分布在nRF905的四周，并使用较小封装。
智能节点的执行器部分控制输出采用继电器控制，为了防止干扰，采用光电隔离器将输入与输出相互隔离，也将输入和输出端与AT89C52隔开。智能节点的微处理器单片机通过光电隔离器和继电器控制输出动作。
系统软件设计
系统的软件设计分为智能节点软件和控制中心系统软件两部分。
在智能节点的软件设计中，采用模块化的设计方法，将节点的各种功能划分为对应某一具体任务的子程序(如数据采集子程序、无线通信程序、看门狗子程序等)，并给每个任务定义任务优先级、执行频率和标识符。采用非抢占优先级方式来设计，用定时器溢出中断来调用任务。
无线通信程序设计：当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口按时序把接收的地址和要发送的数据送传给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。激发nRF90S的发送模式后，射频寄存器自动开启，数据打包(加字头和CRC校验码)，发送数据包。当数据发送完成，数据准备好引脚被置高，告知单片机nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。当微控制器有数据要接收时，nKF905进入接收模式。延时500μs后，nRF90S不断监测，等待接收数据。当nRF90S检测到同一频段的载波且地址和冗余校验正确后，nKF90S自动移去字头、地址和CRC校验位，nRF90S进入空闲模式。微控制器通过SPI口以一定的速率把数据移到微控制器内，直到所有的数据接收完毕，完成数据接收全过程。接收数据为中断方式而发射数据查询方式。同时，为解决数据传输的同步问题，应在发送有效的地址数据前加入六至八个同步校验码，如0CCH(通过协议事先定义)，在地址数据后再加入所需传输数据与数据校验码，完成对整个数据段的打包过程。其数据打包顺序为OCCH(同步校验码)，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，OCCH，addr1(照明区域地址数据)，addr2(照明灯具地址数据)，num1(传输有效数据1)，nurm2，…numN，checksun结束。
对于控制中心系统程序，其核心是人机交互与无线控制。上位机软件采用VB面向对象的软件开发工具编写，包括系统监控、通信管理、数据处理、控制命令、动态显示等模块，具有界面友好、显示直观、操作方便等优点。系统运行时，各智能节点的位置以图形方式形象地显示在控制中心的显示器上，检测和控制状态在各自位置旁动态显示，操作者经简单培训即可对整个系统进行控制。
结语
与有线方式相比，无线控制系统的应用避免了复杂的布线施工。根据需求和小区环境的变化，仅需修改软件设置和节点的位置，就可以调整照明布局和扩充功能。适用不同的使用要求，能够降低系统建设费用和建设周期。在实验室搭建的照明控制系统，经实际运行测试，能够对照明的状态进行无线和人性化的动态控制，具有一定的节能效果。
关键词：照明；nRF905；智能节点；智能小区
随着照明系统应用场合的不断变化，应用情况复杂和多样化，仅靠简单的开关已不能完成所需要的控制，所以要求照明控制也应随之智能化，以满足实际应用的需要。目前智能照明控制系统采用的是有线的控制方式，该方式需要复杂的综合布线施工，更改节点或是增加节点很不方便，阻碍了智能照明的广泛应用。本文针对小区照明的特点，设计基于nRF905智能照明无线控制系统。
智能照明控制系统
小区的智能照明控制系统主要由控制中心和智能节点组成。在本文中智能照明控制系统采用了星型拓扑结构，由一个与计算机相连的无线通信模块作为系统的控制中心，可以跟控制系统中的任何一个智能节点通信，负责系统数据的接收与管理、控制命令的发送、系统工作过程的实时显示等。智能节点按照小区的规则分布在小区的各个部分，负责照明的控制，并且对控制中心发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。智能节点也可以脱离控制中心，直接进行现场手动控制。建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。该控制系统采用的星型拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加系统中节点，满足小区在以后增减节点的需要、而且成本低。实践证明，星形网络结构简单，实用可靠。系统结构框图如图1所示。
系统硬件设计
·主要元件
从成本和难易程度考虑，系统微处理器采用Atmel公司的AT89C52单片机为微控制器。AT89C52具有8k字节的闪烁可编程及可擦除只读存储器，256字节的RAM，4个并行口，3个16位定时器计数器，两种优先级的6个中断源，一个全双工串行口，片内振荡器与时钟电路。
nRF905是Nordic公司的单片射频收发器，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加滤波器，采用CRC校验(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，其功耗低。11RF90S传输速率为100kbit/s，在微波炉、手机信号等干扰情况下，传输速率会有所下降。nRF905在空旷地传输距离为S00m，有墙体建筑物等障碍时，其传输距离有所减小；在1～2栋建筑物阻隔的情况下、其传输距离不少于100m。nRF90S采用CRC校验，有良好的抗干扰性；密钥管理和跳频技术使其具有很好安全性。nRF905芯片传输距离、穿透能力、抗干扰性和安全性等都适合于小区无线数据传输。
·智能节点
智能节点可以通过无线的方式实现对小区各部分照明的控制、预设照明开关存储等功能、也可以直接通过节点上的按键来控制灯的开启和使其进入某种预设的工作方式。智能节点主要由微处理器、无线芯片nRF90S、电源模块、传感器和执行器等组成，其结构框图如图2所示。
智能节点的电源来自220V电压，需要电源转换电路。为保证系统判断传感器输入信号的稳定性，电源转换电路采用如下设计：选用专为通信控制芯片提供转换电压的LM1117为转换芯片，它具有功耗低，体积小等优点。同时在电源电路中加入220μH的电感，与并入多个不同容值的电容所构成的滤波电路来抑制各种高频信号，使智能节点能够得到稳定可靠且低干扰的电源，保证其可靠运行。nRF905射频部分的电路设计也是智能节点设计的重点与难点，而抗干扰设计直接关系到射频性能和整个智能节点的运转情况。在nRF90S射频部分布线时，合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的也是降低干扰提高抗干扰能力的有效手段。布线时需要注意以下几点：一是射频部分电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的：nKF90S芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将nRF905芯片底部和地层相连：尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，器件要紧密地分布在nRF905的四周，并使用较小封装。
智能节点的执行器部分控制输出采用继电器控制，为了防止干扰，采用光电隔离器将输入与输出相互隔离，也将输入和输出端与AT89C52隔开。智能节点的微处理器单片机通过光电隔离器和继电器控制输出动作。
系统软件设计
系统的软件设计分为智能节点软件和控制中心系统软件两部分。
在智能节点的软件设计中，采用模块化的设计方法，将节点的各种功能划分为对应某一具体任务的子程序(如数据采集子程序、无线通信程序、看门狗子程序等)，并给每个任务定义任务优先级、执行频率和标识符。采用非抢占优先级方式来设计，用定时器溢出中断来调用任务。
无线通信程序设计：当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口按时序把接收的地址和要发送的数据送传给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。激发nRF90S的发送模式后，射频寄存器自动开启，数据打包(加字头和CRC校验码)，发送数据包。当数据发送完成，数据准备好引脚被置高，告知单片机nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。当微控制器有数据要接收时，nKF905进入接收模式。延时500μs后，nRF90S不断监测，等待接收数据。当nRF90S检测到同一频段的载波且地址和冗余校验正确后，nKF90S自动移去字头、地址和CRC校验位，nRF90S进入空闲模式。微控制器通过SPI口以一定的速率把数据移到微控制器内，直到所有的数据接收完毕，完成数据接收全过程。接收数据为中断方式而发射数据查询方式。同时，为解决数据传输的同步问题，应在发送有效的地址数据前加入六至八个同步校验码，如0CCH(通过协议事先定义)，在地址数据后再加入所需传输数据与数据校验码，完成对整个数据段的打包过程。其数据打包顺序为OCCH(同步校验码)，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，0CCH，OCCH，addr1(照明区域地址数据)，addr2(照明灯具地址数据)，num1(传输有效数据1)，nurm2，…numN，checksun结束。
对于控制中心系统程序，其核心是人机交互与无线控制。上位机软件采用VB面向对象的软件开发工具编写，包括系统监控、通信管理、数据处理、控制命令、动态显示等模块，具有界面友好、显示直观、操作方便等优点。系统运行时，各智能节点的位置以图形方式形象地显示在控制中心的显示器上，检测和控制状态在各自位置旁动态显示，操作者经简单培训即可对整个系统进行控制。
结语
与有线方式相比，无线控制系统的应用避免了复杂的布线施工。根据需求和小区环境的变化，仅需修改软件设置和节点的位置，就可以调整照明布局和扩充功能。适用不同的使用要求，能够降低系统建设费用和建设周期。在实验室搭建的照明控制系统，经实际运行测试，能够对照明的状态进行无线和人性化的动态控制，具有一定的节能效果。