一种基于ANT的LED照明控制系统的软硬件设计

0 引言

在环境污染和能源匮乏日益严重的背景下，LED 照明设备因其发光效率高、使用寿命长等优点，得到了广泛的应用。作为未来照明的主题，LED 照明系统正在向智能化的方向发展。通过结合使用传感、通信和控制等技术，实现LED 照明的个性化、舒适性和二次节能。智能照明控制系统的基本功能包括：LED 设备的亮度控制， LED驱动器的电流、电压和功率因数等物理参数的采集，以及设备工作状态的检测。智能照明控制系统的控制方式可分为有线和无线两种，常见的有线控制方式包括DALI、PLC 和RS485等，无线控制则主要采用433MHz 和Zigbee 网络传输信号。

ANT 无线自组网协议是由Dynastream、Nordic 等公司推出的2.4GHz 短距离无线网络标准，相比于蓝牙和Zigbee 等无线通信技术，它具有更低的功耗、更低的系统成本和更短的开发应用周期等优点，是一种具有较强竞争力的短距离无线通信技术。

1 系统架构

如图1 所示，控制系统由服务器软件、集中管理器和终端控制器组成。最上层的服务器设于远程控制中心，通过以太网、GPRS 或3G 等方式与集中管理器交换数据。用户可利用安装在服务器上的管理软件查看照明设备的实时电参数和工作状态，配置照明控制策略。集中管理器用于实现服务器与终端控制器的双向通信中继，一方面接收服务器指令并下发给控制器以进行照明控制，另一方面查询控制器状态和电参数并上传给服务器。集中管理器和终端控制器之间采用ANT 无线网络进行通信。位于最底层的终端控制器与LED 驱动器相连，负责监测LED 照明设备的工作状态和采集相关电参数，同时根据指令调整LED 光源的亮度等级。

2 硬件设计

集中管理器和终端控制器的电路原理框图如图2 所示。集中管理器主要负责通信中继，其处理器选用了TI 公司的16 位超低功耗单片机MSP430F5418A,它的外设功能丰富，集成UART,SPI,I2C 等接口，便于与外部系统互联，满足系统对通信模块的扩展需求。终端控制器通过控制输入驱动器的调光电压或PWM 的占空比来改变LED 的亮度，通过采集LED 驱动器的反馈电压来判断LED 驱动器是否运行正常，其处理器则选用了Freescale 公司的8 位单片机MC9S08SG8,其主要特点是具有4 路PWM 输出，以及8路ADC,非常适用于灯控系统。

ANT 网络芯片采用了Nordic 公司推出的第二代单片ANT 解决方案产品nRF24AP2,它提供了同步/ 异步串行接口，本设计中单片机与nRF24AP2 芯片通过异步串口通信。ANT 协议栈被预先封装在nRF24AP2 中，因此单片机只需按照规定格式向nRF24AP2发送命令数据帧，即可实现组网和通信。ANT 串行数据帧均以同步码开始、校验码结束，采用低位前导的方式传输字节。数据帧依次由以下内容组成：

(1)同步码(1 字节)：处理器发送给ANT 芯片的数据以0xA5作为同步码，而ANT 芯片向处理器发送的数据则以0xA4 开始;

(2)帧长(1 字节)：用户数据长度，最多不超过9 个字节;

(3)帧类型(1 字节)：数据帧类型，有效值为1~255 ;

(4)数据(N 字节)：用户定义的通信数据;

(5)校验码(1 字节)：等于之前所有字节的异或值。

3 软件设计

ANT 网络提供了点对点、星形、树形乃至网状等多种网络拓扑，可以满足不同照明环境的需求。本设计以路灯应用为目标进行链状网络配置。在链状网络中，集中管理器下发的命令和终端控制器回复的数据都需要采用多跳转发的方式传输到目标地址。

ANT 基于通道进行网络管理和通信。通道是ANT 设备进行数据交换的通信路径，每个通道由1 个主机和1 至多个从机组成。

通道参数相匹配的ANT 设备之间才能互相通信。管理器作为命令的主动发送方，是链状网络的源设备，它被配置为所在通道的主机。终端控制器(除了位于链路末端)需要进行通信中继，因此它同时工作在2 个通道上，在接收命令的通道上作为从机，而在发送命令的通道上作为主机。

通道参数包括通道类型、通道ID、工作频率、通道周期和网络类型。通道配置按以下流程顺序执行：

(1)配置网络类型：采用公共网络及公共网络密钥;

(2)分配通道：指定主机采用共享双向发送通道，从机采用共享双向接收通道;

(3)配置通道ID :主机的传输类型、设备类型和设备号分别为3、4 和4,工作于某通道的从机的设置与其所在通道的主机相同;

(4)配置通道周期、无线通信频率和发射功率：分别设置为2秒、2466MHz 和0dBm ;

(5)打开通道。

集中管理器的功能包括通信中继和定时查询控制器状态。上电后，集中管理器首先进行单片机的初始化：配置时钟、异步串口的波特率等，并使能串口和定时器中断。初始化完成后，集中管理器对nRF24AP2 进行操作，完成上电复位、通道配置等操作，随后进入低功耗状态。接收到服务器命令和控制器应答会触发单片机进入不同的串口中断处理程序。在接收到服务器命令时，集中管理器先对命令帧进行解析处理，得到目标控制器地址后向其发送命令。当下发命令的对象是单个控制器时，集中管理器发送完命令后会等待控制器的应答。如果在规定时间内接收到目标控制器回复的数据时，集中管理器会保存数据并更新其无线通信状态信息;否则集中管理器会重发命令帧，直到接收到控制器的应答或重发次数达到最大。如果下发命令的对象是一组控制器，集中管理器则会在发送完命令后等待一段时间，发送查询命令以确认目标控制器是否已按命令执行相应操作。此外，集中管理器还会定时查询所有照明设备的工作状态和电参数。

路由终端控制器在完成单片机初始化和对nRF24AP2 的配置后进入低功耗状态。由于它们同时工作在两个通道上，因此会接收到来自2 个通道的数据。通道主机发送的命令有多种类型，可能是调光或查询状态，命令的目标地址也可能是单个或多个。针对不同类型的数据，路由终端控制器会做不同的处理。在接收到单播命令的情况下，控制器首先判断命令的目标地址，如果是发送给自己的则回复数据，并根据命令中的调光等级调整PWM 的占空比，最后退出中断回到低功耗状态;如果不是发送给自己的，则应答后继续在另一通道上向从机转发命令。同样的，如果接收到从机发送的数据，路由终端控制器也会首先查看目标地址，如果是发送给管理器的则通过上行通道发送出去，如果是对自己所下发的命令的应答则回到退出中断。另一方面，如果路由终端控制器接收到的命令是多播类型，它首先判断自己是否包括在目标地址集合中，如果不在那么它只应答主机和转发数据。否则，路由终端控制器会等待一段时间，在接收到末端控制器对集中管理器查询命令的回复数据时，将本地数据封装进去，再发送给通道主机。这样做的优点在于多个控制器可以使用同1 个通信包将数据回复给集中管理器，而不必一一回复，避免无线通信冲突和拥塞。

另外，终端控制器还会定时查询驱动器的工作电压是否正常，并采集相关电参数。

末端终端控制器的功能比较简单，除了定时查询驱动器的工作电压是否正常，并采集相关电参数外，只要在接收到下发的命令后应答、并按命令进行相应操作即可。

4 总结

智能照明是LED照明控制系统的未来发展方向。本文基于ANT 网络通信技术进行了无线LED 照明控制系统及其软硬件的设计。该系统无需布线，安装方便，运行可靠，能提高灯控系统的智能化水平，有力保障照明设备的正常运行。