基于Jennet-IP的智能照明系統(tǒng)設(shè)計

王　慧

（成都師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心，四川　成都　611130）

基于Jennet-IP的智能照明系統(tǒng)設(shè)計

王慧

（成都師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與信息管理中心，四川成都611130）

文章旨在設(shè)計一個以恩智浦半導(dǎo)體公司的JN5168芯片為核心，結(jié)合Jennet-IP協(xié)議的無線智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)在控制終端與各照明節(jié)點之間構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過控制終端實時控制各照明節(jié)點并能實時監(jiān)控各節(jié)點的狀態(tài)，如電壓、電流和溫度等。文章分析了系統(tǒng)的工作原理、硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有誤包率低、穩(wěn)定、可靠和成本低等優(yōu)點，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

智能照明；Jennet-IP；無線通信；網(wǎng)絡(luò)化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，智能家居早已為大眾所熟知，而智能照明系統(tǒng)作為智能家居的重要組成部分，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，傳統(tǒng)照明還存在著一系列缺點，如發(fā)光效率低、使用壽命短、布線麻煩和系統(tǒng)可擴展性低等，遠遠不能滿足現(xiàn)代社會對高效、自動化和節(jié)能照明技術(shù)的現(xiàn)實需求。

近年來，近距離無線通信技術(shù)得到了相當迅猛的發(fā)展，常見的有WiFi，藍牙（Bluetooth），ZigBee和Jennet-IP等技術(shù)。WiFi的主要用途是接入無線網(wǎng)絡(luò)，提供高達幾十兆的網(wǎng)絡(luò)速度，但這是以犧牲低功耗為代價，限制了它在工業(yè)場合的應(yīng)用和推廣；藍牙是一種一對多的無線傳輸技術(shù)，但其存在著傳輸距離近和組網(wǎng)能力差的缺點；ZigBee是一種基于802.15.4的物理層協(xié)議，支持自組網(wǎng)、多點中繼，可實現(xiàn)網(wǎng)狀拓撲的復(fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，加上其低功耗的特點，使得網(wǎng)絡(luò)間的設(shè)備能各司其職，有效地協(xié)同工作，但是其存在授權(quán)收取專利費的問題，開發(fā)成本較高。

Jennet-IP協(xié)議是由恩智浦半導(dǎo)體開發(fā)的一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其適用于住宅、商業(yè)和工業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是一種以IEEE 802.15.4標準為基礎(chǔ)的超低功耗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。Jennet-IP最多接入500個終端設(shè)備，具有網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)、功耗超低、遠距離傳輸，成本低和安全性高等特點，與ZigBee相比，Jennet-IP可以隨意組建私有網(wǎng)絡(luò)而無須授權(quán)，在縮短了認證時間及步驟的同時也節(jié)省了授權(quán)認證費用。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設(shè)計的無線智能照明系統(tǒng)由基于Jennet-IP協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)和電腦、手持終端設(shè)備組成，以恩智浦公司的JN5168為核心，實現(xiàn)對LED照明的亮度控制以及溫度、運行時間的采集。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是Jennet-IP網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，允許其他節(jié)點加入。路由節(jié)點能加入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或者是其他路由節(jié)點，也允許其他路由節(jié)點或者是終端節(jié)點加入，其能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到中繼傳輸?shù)淖饔茫荒苓M入睡眠模式。終端節(jié)點同樣能加入到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點，但是不允許其他路由節(jié)點或是終端節(jié)點加入，可以進入睡眠模式。本文中，路由節(jié)點和終端節(jié)點的硬件電路完全一樣，故著重于路由節(jié)點部分的設(shè)計。

2　硬件設(shè)計

路由節(jié)點由電源單元、無線收發(fā)單元、數(shù)據(jù)處理單元、調(diào)光單元和溫度采樣單元等幾部分組成。電源單元實現(xiàn)220V交流電到15V直流電和3.3V直流電的轉(zhuǎn)換；無線收發(fā)單元實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的接收和監(jiān)控數(shù)據(jù)的反饋；數(shù)據(jù)處理單元對接收/監(jiān)控到的數(shù)據(jù)進行處理；調(diào)光單元通過對脈寬調(diào)制信號（Pulse Width Modulation，PWM）進行處理以實現(xiàn)對LED的亮度控制；溫度采樣單元通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取環(huán)境溫度。

無線收發(fā)單元和數(shù)據(jù)處理單元采用恩智浦公司的無線處理芯片JN5168實現(xiàn)，該芯片內(nèi)嵌高性能32位RISC處理器，帶256kB嵌入式內(nèi)存，32kB RAM和4kB EEPROM，并且集成了各種模擬和數(shù)字外設(shè)。同時，該芯片集成兼容2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，支持JenNet-IP和ZigBee等多種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

為了兼容市面上的大部分LED控制接口，調(diào)光單元提供了電平輸出和PWM輸出兩種接口模式，其中電平輸出是使用LT1006對JN5168輸出的頻率為50KHz的PWM信號進行調(diào)制，從而將其轉(zhuǎn)換為0～10V的電平信號，PWM輸出則是對JN5168輸出的頻率為500Hz的PWM信號進行了電平放大（幅度放大到10V，JN5168的輸出電平僅為3.3V）和驅(qū)動增強，兩種輸出接口的實質(zhì)都是通過調(diào)整PWM的占空比來實現(xiàn)對LED的亮度調(diào)整。數(shù)字溫度傳感器DS18B20采用獨特的單線接口方式，其僅需要占用JN5168的一個端口即可完成兩者之間的雙向通訊。

3　軟件設(shè)計

路由節(jié)點的主要功能為通過Jennet-IP協(xié)議棧接收用戶指令調(diào)節(jié)LED的亮度并監(jiān)控LED的工作狀態(tài)，其還具有中繼數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｂ酚晒?jié)點的工作流程如圖1所示。

圖1　路由節(jié)點工作流程

路由節(jié)點在完成設(shè)備初始化后會在指定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)要求下選擇加入網(wǎng)絡(luò)。在Jennet-IP協(xié)議中，協(xié)調(diào)器所發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)標識和路由節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)標識必須一致才能加入網(wǎng)絡(luò)，在成功加入網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點的協(xié)議棧會產(chǎn)生一個E_STACK_ JOINED事件并獲得一個由協(xié)調(diào)器分配的IPV6地址。

LED的控制/監(jiān)控數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為：

typedef struct｛

uint8u8OnOff，// 開關(guān)控制

uint8u8Level，// 亮度控制

uint32 u32RunTime，// 運行累計時間

foatfTemperature，// 溫度采集

｝ tsMibledControl

LED的亮度變化通過階梯式修改PWM的輸出占空比來實現(xiàn)，這樣在亮度變化較大時避免出現(xiàn)亮度突變的情況同時也提高了人眼的舒適度；當LED的亮度參數(shù)不為0時，本文對其運行時間的進行累加統(tǒng)計，以小時為單位，有助于預(yù)測LED的壽命；溫度采集每分鐘進行一次，設(shè)置采樣精度為0.25℃，其采樣流程如圖2所示。

圖2　DS18B20溫度采樣流程

本系統(tǒng)還實現(xiàn)了LED的分組功能，多個路由節(jié)點/終端節(jié)點可以分配到同一個多播地址，實現(xiàn)對多個LED的一鍵控制，并且每個節(jié)點可以分配最多8個不同的多播地址，可以方便快捷地實現(xiàn)情景模式。

4　結(jié)語

本文基于Jennet-IP實現(xiàn)了無線智能照明系統(tǒng)，用戶可以通過電腦或手持終端等設(shè)備對照明系統(tǒng)進行控制，可以實現(xiàn)定時控制和情景分組等功能，可以廣泛地應(yīng)用于家庭、會議室和停車場等領(lǐng)域。另外，本系統(tǒng)通過接入光照傳感器實現(xiàn)了亮度的自動控制，接入微波傳感器或者紅外傳感器實現(xiàn)“人在燈亮，人走燈滅”的功能，從而達到節(jié)能減排的目的。

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Design of intelligent lighting system based on Jennet-IP

Wang Hui
（Network and Information Management Center of Chengdu Normal University， Chengdu 611130， China）

The purpose of this paper is to design a wireless intelligent lighting system taking NXP semiconductor JN5168 chip as the core and combined with Jennet-IP protocol. Which constructs wireless communication network between the control terminal and each illumination node. The user can control each illumination node and monitor the status of each node， such as voltage， current and temperature through the control terminal. This paper analyzes the working principle of the system， the hardware architecture and software design. Experimental results show that the system possesses characteristics such as packet error rate is low， stable， reliable and cost is low，implementing the network management of illumination system.

intelligent lighting； Jennet-IP； wireless communication； networking

王慧（1981— ），女，四川成都，碩士，助理研究員；研究方向：電子信息技術(shù)。