应用无线传感器网络的智能照明控制系统

智能照明控制在我国存在极大发展潜力及重要现实意义。本文将无线传感器网络、OPC通信与照明控制技术相结合，设计一套智能照明控制系统，实现灯具自动控制，提高系统管理水平。

1 系统方案概述

本文的智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC服务器和用户界面三部分组成。

底层的无线网络采用星型结构，包括一个基站和多个从站。其中，从站与被控LED灯连接并将灯的状态信息传送给基站。基站通过RS232与PC机相连，将接受的控制命令下达给从站。系统使用ATmega16L单片机和nRF905无线射频模块构成工作于433MHz的无线网络节点，两者通过SPI串行口相连。

图1 节点结构

上位机中具有专门开发的OPC DA服务器。OPC 服务器与组态软件中开发的用户界面之间采用OPC技术通信，与无线网络中的基站之间采用RS232串行通信。OPC服务器负责将用户下达的控制命令传送给无线网络中的基站，并将基站传输的设备状态上传至用户界面显示。

在组态软件中开发的用户界面能实时准确的显示设备状态，并可实现对LED灯的组合控制、温度控制、PWM控制、定时控制及操作记录等功能。

图2 系统框图

2 系统软件设计

无线传感器网络是由一些低功耗、低成本、体积小的传感器节点，以无线通讯方式组成的网络，融合传感器技术、信息处理技术、嵌入式技术和网络通信技术，实现信息的采集、处理、传输及应用，具有施工成本低、系统扩展性好、运行维护易等优点。本系统的无线网络结构设计如下：

1）网络拓扑

系统无线网络采用星型结构，有基站和从站两类节点。基站与各从站间进行双向通信，从站互不通信。网络中的每个节点都配有ID地址，有接收、发送两种状态，默认处于接收状态。

2）MAC层协议

为避免多个从站同时向基站发送信息导致信道冲突，且照明系统对控制时延性要求不高，所以网络MAC层采用非坚持CSMA/CA协议。通信前，节点先利用nRF905的载波检测引脚CD监听信道是否空闲，若空气中有同频信号则CD自动置高。若信道忙碌则节点随机延迟一段时间后再重新监听。

信道空闲时，节点并不立即发送，而是采取一定的退避机制，将信道冲突的概率降至最小。因为当某从站与基站通信完毕的瞬间，可能有多个要发送数据的从站同时监听到信道空闲，此时信道冲突的可能性最大，所以节点随机退避一段时间后再进行发送。

这里采用二进制指数退避算法BEB，设争用期（即节点发出数据至接收到信道冲突的时间）为2t，各站重传次数为N,从整数集合[0,1,…,(2N-1)]中随机取数，记为R。节点重传产生的时延D为2t的R倍，即D=R×2t。

站点在发送前若检测到信道空闲，就立即启动退避计数器，只要信道空闲，退避计数器就递减，若退避过程中检测到信道被占用则暂停退避计数器并保持计数器值不变，当信道重新空闲时在原有计数值基础上再次启动退避计数器，当计数值减到零时节点发送数据。

图3 非坚持CSMA/CA流程图

3）冲突避免策略

CSMA/CA协议只能解决发送端的数据冲突问题，但接收端仍存在数据冲突的可能，即“隐藏节点”问题。因此系统引入RTS/CTS/DATA/ACK握手机制。具体过程如下：

⑴从站向基站发送前先通过竞争方式获得信道使用权，再向基站发送请求连接帧RTS(Request To Send)。

⑵基站收到从站的RTS帧后，向从站发送连接确认帧CTS(Clear To Send)，建立两者之间的通信连接。

⑶从站收到基站的CTS帧后，向基站发送数据帧DATA，若没有收到CTS帧，则重新发送RTS帧。

⑷基站收到从站的DATA帧后，向从站发送数据确认帧ACK。

⑸从站收到基站的ACK帧后，整个通信过程结束，若没有收到,则重新发送DATA。

图4 从站流程图

图5 基站流程图

4）差错控制

在差错控制方面，系统采取数据重发机制与nRF905自身CRC校验相结合的方式。从站在发送RTS或DATA后，若在一定时间内没有收到基站的CTS或ACK，则重新发送传输失败的帧，直到接收到回复或重发次数达到设定值。

另外，nRF905提供对CRC校验的硬件支持，通过设置RF配置寄存器中的CRC_MODE值，采取8位CRC校验。当接收的数据CRC校验出错时，nRF905会自动丢弃错误帧。

5）数据传输

系统有两种数据传输模式：点播和广播。点播是指基站向指定从站发送命令或某一从站向基站传输数据，是点对点通信。广播是指基站向所有从站发送命令，此时目的地址为统一值，是点对多点通信。

6）通信帧

系统有两种帧类型，分别是控制帧RTS、CTS、ACK和数据帧DATA。其中，前导码表明帧的开始；源地址为发送的设备地址；目的地址为接收的设备地址；帧类别说明此帧的功能；有效数据是传输的具体内容；结束码表明此帧的结束。

2.2 OPC DA服务器

OPC技术是用于过程控制的对象链接与嵌入技术，其以COM/DCOM/COM+技术为基础，采用服务器/客户端模式。本系统针对智能照明控制系统的需求，开发专门的OPC DA服务器，设计如下

图6 OPC DA服务器结构图

1）OPC对象与接口

系统编写实现OPC DA服务器的定制接口，采用E形式，以OPC3.0规范为标准，向下兼容OPC2.0版。系统的OPC对象与接口包括OPC Server、OPC Group和OPC Item三种对象。

其中，OPC Server和OPC Group为标准COM对象，服务器对象不支持聚合，支持连接点机制。组对象支持聚合、连接点机制。项对象不是标准的COM对象，通过一个类进行描述，在类中定义项对象的属性和操作方法。

系统OPC Server对象实现的接口包括：IOPCServer、IOPCommon、IOPCBrowseServerAddressSpace、IOPCItemIO 、IOPCItemProperties及IOPCBrowse。OPC Group对象实现的接口包括：IOPCItemMgt、IOPCItemDeadbandMgt、IOPCGroupStateMgt2、IOPCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO、 IOPCSyncIO2、IOPCAsyncIO、 IOPCAsyncIO2及IOPCAsyncIO3。

2）服务器地址空间

系统的服务器地址空间由OPC服务器内所有可读写的数据项组成，根据实际情况预先设计，采用树型结构。整个服务器地址空间使用一个自定义的结构体数组进行存储，其结构体成员包括：结点唯一的ID号、结点的名字、父结点的ID号、左子女结点的ID号和右兄弟结点的ID号。最后，系统通过定义一个类对服务器地址空间进行管理。

3）硬件数据采集部分

OPC DA服务器通过RS232串行口与无线网络中的基站连接。本系统将与串口通信有关的API函数封装在一个类中进行管理，并定义一个属于此类的全局变量。通过对此全局变量的读操作，将无线网络基站上传的设备信息写入服务器地址空间及相应的OPC Item中。当OPC服务器接收到控制命令后，会自动调用串口全局变量的写函数，将指令下发给无线网络中的基站，并由基站将指令传输给具体从站。

4）线程设计

图7 OPC DA服务器更新及事务处理流程图

系统的OPC服务器包括一个主线程，两个辅助线程。主线程由服务器启动时自动创建，用于初始化COM库，建立消息循环和处理消息。第一个辅助线程用于处理服务器数据更新及异步事务，线程会周期性更新每个OPC Server对象中所有组对象的数据项，同时执行异步操作事务，并将操作结果回调给客户。

第二个辅助线程用于RS232串口监测，当串口接收到数据后，会以消息方式通知主线程，激发消息处理函数对数据进行处理，最后将处理好的数据写入服务器地址空间。不同线程间采用临界区方式进行同步。

5）数据访问

本系统的OPC服务器支持同步和异步两种数据访问方式，包括提供六种读数据方式，其中IOPCSyncIO2::ReadMaxAge、IOPCSyncIO::Read和IOPCItemIO::Read用于同步读；IOPCAsyncIO2::Read、IOPCAsyncIO3::ReadMaxAge用于异步读；而当数据改变或异步刷新被调用时，采用IOPCCallback::OnDataChange。

本文由于无线网络中的基站会自动将设备最新状态上传至OPC服务器中的服务器地址空间，因此所有读操作都直接读取OPC服务器中的内存数据。OPC服务器具有五种写数据方式，其中同步写操作包括：IOPCSyncIO::Write、IOPCSyncIO2::WriteVQT及IOPCItemIO::WriteVQT；异步写操作包括：IOPCAsyncIO3::WriteVQT、IOPCAsyncIO2::Write。当用户下达指令时，OPC服务器通过调用RS232串口写函数，将命令下传给无线网络中的基站。

图8 异步读数据流程图

图9 同步写数据流程

3 智能照明控制系统模拟组网

本文使用ATmegal6L和nRF905构成无线节点模拟组建一个智能照明控制系统，模拟实现LED灯的组合控制、PWM控制、定时控制等功能。

图10 模拟智能照明控制系统实物图

系统通过ATmega16L开发板上的LED灯模拟被控灯具。温度控制方面，采用白炽灯与晶闸管BTA12-600及光耦隔离器MOC3041相连接模拟被控端。从站的微控制器将实际灯温度值与设定值进行比较，通过PID算法计算修正PWM占空比，调整灯的明暗程度。

最后，系统利用组态王软件开发用户界面。在操作界面上，可实时显示设备状态，对LED灯进行各种控制操作。系统会对各项操作进行历史记录，同时可利用组态王的Web功能使用户能随时随地通过Internet/Intranet实现设备的远程监控。

图11 用户操作界面

试验平台的模拟运行结果表明，该智能照明控制系统满足设计要求，具备良好的可扩展性。

部分程序代码：

uchar csma_ca(void)//载波检测和退避机制

{

uint s=1;

uchar i=0;

uchar ran=0;

uchar j=0;

for(j=0;j<8;j++)//重传次数设置为9次

{

if((PIND&RF_CD)==0)//载波检测

{

srand(t);//随机取值R

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30; // D=R×2t

delay_ms(ran);

}

else

{

s=s<<1;//二进制指数退避

srand(t);

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30;

delay_ms(ran);

}

s=s<<1;

if((PIND&RF_CD)==0)

break;

}

if(j<9)

i=1;//CSMA/CA成功

else

i=0; //CSMA/CA失败

return i;

}

4 结论

本文将无线传感器网络、OPC DA服务器应用于智能照明控制系统中，实现从用户界面到无线终端的整体控制。经验证，系统安装方便、工作稳定、各部分衔接良好，满足控制要求。此外，系统还易于扩展，具有良好的通用性和一定的可移植性，稍作修改可应用于其他控制领域。

本文编自《电气技术》，原文标题为“基于无线传感器网络的智能照明控制系统”，作者为刘璐、周靖林。

基于STC89C52的智能全自动洗衣机控制系统设计

张哲，李智，管四海

（西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071）

：为了降低全自动洗衣机的运行功耗、提高运行的稳定性、降低制造成本以及更方便的操作，设计了一种基于STC89C52单片机的全自动洗衣机控制系统。该控制系统由蓝牙部分、红外热释部分、LCD1602液晶部分和直流电机等组成。其中，采用蓝牙无线通信技术以实现在长距离移动终端上控制洗衣机运行的参数；通过红外热释电传感器控制，以便于取衣操作。最后，给出了该控制系统的硬件结构和软件流程，且通过Proteus仿真测试验证了该控制系统是简便有效的。

： STC89C52；蓝牙无线通讯；红外热释电；智能家居

：TP13文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.030

引用格式 ：张哲，李智，管四海.基于STC89C52的智能全自动洗衣机控制系统设计［J］.微型机与应用，2017,36（7）：102-105.

0引言

*基金项目：国家自然科学基金（61673310）由于全自动洗衣机具有对洗涤物品的破坏性弱、一次可洗涤大量衣物、节省劳动力等优点，使它受到广泛的使用并走进了千家万户［1］。但随着智能家居概念的提出、传播和在生活中的初步使用，使得人们对全自动洗衣机在价格低廉的基础上又提出了性能可靠、洗衣功耗低、操作简单、工作效率高以及便于维修等要求。然而目前的全自动洗衣机仅具有洗涤、甩干和暂停等几大简单洗涤功能，不足以满足人们对于智能化控制的需求。此外，传统洗衣机的运行状态显示常采用数码管，这就导致运行状态不清晰，错误代码不明确，缺乏人性化，进而对洗衣机的操作和维护带来极大的不便。

为了有效解决以上问题，本文利用HC05蓝牙模块、矩阵式键盘、LCD1602液晶显示屏和红外热释电传感器，基于STC89C52设计了一种智能控制系统。其中，利用HC-05蓝牙模块以及矩阵式键盘分别实现无线移动终端控制洗衣操作以及近距离人机操作；利用LCD1602液晶显示屏以清晰的英文标识显示当前的工作状态并配有高亮度的背光，结合红外热释传感器为洗衣机的操作提供极大的便利。

1控制系统的总体设计

此控制系统由STC89C52、蓝牙串口电路、电机驱动电路、矩阵键盘电路、LCD1602液晶显示模块、红外热释电模块和报警电路组成，系统框图如图1。

图1系统框图在图1中，STC89C52作为微控制器，用于实现控制算法；蓝牙传输模块用于实现无线远距离设定洗衣机的洗衣模式、洗衣时间等；LCD1602用于显示当前工作状态（比如洗涤、脱水和洗涤模式）以及工作时间；由于STC89C52驱动能力有限，只能输出10 mA左右的电流，所以利用电机驱动电路为电机进行电流放大从而驱动电机运行；红外热释模块主要驱动照明设备为工作人员在黑暗条件下操作洗衣机提供方便；报警电路主要用于电机损坏和意外断电等突发情况以及洗涤结束后的提醒。

2主要硬件设计

2.1STC89C52单片机系统

STC89C52系统主要由微控制器（MCU）、时钟电路和复位电路组成。STC89C52完全兼容8051单片机的特点，其主要参数为：时钟频率最高可达80 MHz;内置有5个中断源，分为两个优先级，每个中断源的优先级是可以编程的，4个8位输入/输出口（P0，P1，P2，P3）；有一个全双工的串行口，其有4种工作方式，可通过设置SMOD寄存器进行配置；有3个16位的定时器/计数器［2］。由于STC89C52单片机除P0口外内部均嵌有上拉电阻，因此对于P0口在其外部必须接上拉电阻以保证电平的可靠性。其次，其复位电路采用上电给电容充电进而自动复位的方式。此外其串口（P3.1, P3.2）连接蓝牙模块的串口(TXD, RXD)，P2口接洗衣机的功能键盘，P0口作为液晶的数据总线，P1.7口作为其报警电路的蜂鸣器控制端。

2.2蓝牙串口电路

蓝牙通信的原理类似于单片机和计算机之间的串口通信，二者之间的通信需要借助串口，其通信示意图如图2［3］。

图2中GND表示单片机和HC-05系统的参考地，TXD是串行发送引脚，RXD是串行接收引脚。HC05和单片机之间通信，为保证电源基准相同，故将单片机的GND与HC-05的GND连接起来。其次为构建通信通道，将单片机的接收引脚与HC05的发送引脚连接起来，作为单片机的接收通道；将图2蓝牙接线示意图单片机的发送引脚和HC-05的接收引脚连接起来，作为单片机的发送通道。HC05蓝牙串口电路原理图如图3。

2.3红外热释模块

红外热释传感器的原理［4］是通过其内部传感器感知人体发射的红外光谱从而产生高电平信号，当人离开传感器的感应区则自动关闭高电平，输出低电平。此外，红外热释传感器微功耗，静态电流只有65 mA。其VCC接电源正极，GND接电源负极，OUT1接1 kΩ的限流电阻后接LED小灯。

2.4电机驱动电路

STC89C52输出的高电压为5 V，低电压为0 V，电流为10~20 mA。然而直流电机的启动电流为200~400 mA，不足以驱动电机运行，故选取L298电机驱动模块以放大电流。直流电机PWM控制系统的主要功能包括：通过控制两个输入引脚的电平信号控制直流电机的正转、反转和急停，且可通过调整电压大小调整电机的转速，能方便地实现电机的智能控制［5］，其控制功能见表1。

L298中的 ENA、ENB为使能端口，ENA用来控制左边的电机，ENB用来控制右边的电机；IN1、IN2、IN3、IN4为控制引脚，用来设置三极管的开关状态。通过H桥来控制电机的运行，当使能端为高电平时控制有效；使能端为低电平时，输入端对电机的控制失效［6］。输入端的一个引脚接PWM信号，另一个输入端接低电平时电机正转；当该引脚输入低电平另一个引脚输入PWM信号时，电机朝另一个方向运行。当两个输入端的电平信号相同时, 电机快速停止。引脚以及功能如表2所示。

3软件设计

3.1软件整体结构设计

系统程序分为主程序、定时器中断程序、延时程序、LCD1602液晶显示程序和电机驱动程序等几部分。定时中断0用来控制洗衣进程的时间和电机正反转，通过外部中断0进行相应功能的倒计时，在此期间，如果停止键按下，则终止进程，返回初始界面。延时程序用于LCD1602液晶显示屏的写操作的等待。电机驱动程序用来控制相应控制引脚的高低电平。控制系统流程图如图4。

3.2蓝牙串口程序

在UART通信过程中，采用LSB方式即先发送数据的低位再发送数据的高位，再使TXD为低电平并持续一段时间，直到将8位二进制数字全部发送完毕，与此同时对TI和RI置1。其次，为了手机（上位机）与洗衣机能够正常通信必须设置两者为相同的波特率，因此就需要使用单片机的定时器1，利用公式：波图5蓝牙串口流程图

特率=(2SMOD/32)×(T1的溢出率)［2］，设置本系统波特率为9 600 b/s；在使用串口时，当接收到或者发送完数据后，会对标志位进行置1，但是串口中断不会像定时器中断自动地对标志位进行清0，需要软件对标志位进行清0。蓝牙串口接收数据的具体流程如图5所示。

3.3矩阵键盘子程序

矩阵键盘由16个按键组成，由于单片机的引脚有限，故将其设置成4行4列，进行行扫描或列扫描以减少对 IO口的使用。此外，为避免按键按下时出现抖动，因此需要去抖处理。按键扫描如图6所示，按键去抖流程图如图7所示。

3.4LCD1602液晶显示

LCD1602液晶［5］内部带有80 B的显示RAM，用来发送数据，它的结构如图8。

第一行地址是0X00~0X27，第二行是0X40~0X67H，其中第一行0X00H~0X0F是与液晶上第一行16个字符显示位置相对应的，第二行0X40H~0X4F是与第二行16个字符显示位置相对应的。而每行多出来的一部分是为了显示移动字幕［7］。

基本操作时序：

读状态：

输入：RS=L，R/W=H，E=H;

输出：D0~D7 状态字;

读数据：

输入：RS=H，R/W=H，E=H;

输出：无;

写指令：

输入：RS=L，R/W=L，E=H，D0~D7=指令码;

输出：D0~D7数据;

写数据：

输入：RS=H，R/W=L，E=H，D0~D7=数据；

输出：无。

操作1602液晶显示的流程如下：

(1)通过RS信号确定是向LCD写数据还是写命令；

(2)读写模式设置（R/W）为写模式，即将R/W设置为低电平；

(3)将数据或者命令送达数据总线上；

(4)给使能信号端EN一个高电平信号，将数据送入LCD的RAM，完成写操作。

4实验结果与分析

为了进一步验证本文设计的控制系统简便有效，利用Keil编写程序并进行Proteus仿真，仿真结果显示洗衣机运行正常、液晶显示信息正确。根据原理图以及仿真图制作硬件模拟实物，通过Ecilpse编写蓝牙串口Android版软件，在非开阔的环境下对不同距离的通信情况进行测试，通过手机蓝牙串口软件控制全自动洗衣机的运行，观察能够操作洗衣机的极限距离。

调试结果表明，HC-05蓝牙模块的有效通信距离为0~25 m，在此范围内手机与洗衣机通信正常。实验结果如表3所示。该系统能够实现远距离控制洗衣机的运行状态，功耗低，控制时间准确，操作简便，人性化，全自动洗衣机工作状态清晰可见，适合不同年龄层次的用户使用。Proteus仿真结果如图9所示。图9进水模式Proteus仿真结果在Proteus仿真中通过设置串口或者矩阵式键盘来设置洗衣机的工作参数，相比传统洗衣机的独立式按键更加简便、快捷，只需要针对所需要设置的功能设置按键即可。

图9是全自动洗衣机进水状态下的仿真结果。对应的LED显示当前正在进行的状态， 通过带有背光的LCD液晶显示屏显示工作状态以及剩余时间，相比传统的数码管显示更加准确清晰。通过仿真可看出电机的转动状况。红外热释在黑暗的条件下感知到人经过时就会点亮以辅助人的取衣操作。通过Proteus软件仿真以及实际的硬件测试验证得出，本控制系统相比传统全自动洗衣机控制系统，不仅能实现远程控制运行、人体感应取衣操作、操作简单快捷、更加人性化、智能化，而且使用STC89C52作为控制芯片大大降低了运行功耗和加工成本。另外，经过硬件测试，在电机异常的状态下洗衣机能够发出相应的警报并且将存在的问题通过LCD液晶显示出来，极大地降低了维护的难度。

参考文献

［1］ 刘晓彤. 基于Proteus的全自动洗衣机控制系统设计［J］. 微计算机信息, 2012: 28(9):146-148.

［2］ 温宗周. 孟建华. 单片机原理与接口技术［M］.北京：中国电力出版社, 2009.

［3］ 赵勇. 嵌入式系统蓝牙模块设计［D］. 北京:北京交通大学，2007.

［4］ 徐青山, 李正云. 红外热释电人体感应饮水机智能控制开关：中国,CN201830232［P］.2010-10-29.

［5］ 刘树中, 孙书膺, 王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现［J］. 微计算机信息, 2007，23（2）:49-53.

［6］ 彭鸿才.电机原理及拖动［M］. 北京：机械工业出版社， 2007.

［7］ NXP. NXP Semiconductors “TJA10 42 Rev. 7-8”［S］. 2012.

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