基于ZigBee的分布式彩燈控制系統(tǒng)研發(fā)

皮 浩，石 艷，劉 康，胥 云，廖映華

（四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 宜賓 644000）

引 言

四川的自貢燈會、南京的秦淮燈會、江西的全豐燈會等，不僅是寶貴的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，更是國家文化軟實力的象征，起著重要的對外文化輸出作用。傳統(tǒng)燈組采用靜態(tài)方式控制光源，即用單色燈泡，將它們統(tǒng)一掛載在電源總線上，放置于燈組輪廓內(nèi)部位置；燈組接通電源后，光源單色燈泡一并發(fā)光，光亮透過蒙皮，將彩燈藝人設(shè)計的燈組造型輪廓烘托出來，給游客視覺體驗。但是隨著時代進(jìn)步，燈會產(chǎn)業(yè)也要與時俱進(jìn)和發(fā)展創(chuàng)新，彩燈設(shè)計者需要更靈活、更好用的彩燈控制系統(tǒng)，以滿足彩燈藝術(shù)原始意圖，設(shè)計更精美的燈組來吸引游客［1-2］。

對此，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些相關(guān)研究。電子科技大學(xué)的王誼［3］進(jìn)行了μCOS-Ⅱ在51 系列單片機上的移植工作，成功實現(xiàn)了控制單顆RGB LED 變色的功能。李美華［4］使用μCOS-Ⅱ進(jìn)一步控制了多顆RGB LED 變色。北京工業(yè)大學(xué)的趙新安［5］提出“輸出陣列”這一概念，為RGB LED 亮色方案向RGB LED 亮色轉(zhuǎn)碼提供了一種解決思路，使得RGB LED 亮色方案能夠簡單便捷地生成RGB LED 亮色編碼。柳春青等人［6］與四川九洲電器聯(lián)合開發(fā)了一套基于DMX512 協(xié)議的智能燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用ARM 架構(gòu)的M3 系列芯片作為主控，具備上位機控制、文件傳輸?shù)裙δ堋Ｎ靼搽娮涌萍即髮W(xué)的王碩強［7］進(jìn)行了彩燈配色方案無線發(fā)送器的研究，為高樓、距離較遠(yuǎn)等情況下的彩燈控制方案提供了借鑒。新加坡南洋理工大學(xué)能源研究所Wang、Tan 團(tuán)隊［8］開發(fā)了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射模型的LED 系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能和滿足用戶不同照度偏好的目的。Moon 等人［9］提出了一種基于智能手機的LED 照明系統(tǒng)方案，這個特點可以借鑒到彩燈燈組的智能化，增加傳感器模塊和移動設(shè)備模塊聯(lián)系，實現(xiàn)與游客互動的功能。Wojiech 等人［10］，使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳感器實現(xiàn)了對一盞可編程燈具的控制?？偟恼f來，以上研究在芯片選型、亮色方案編碼、μCOS 任務(wù)設(shè)計、系統(tǒng)功能設(shè)計角度提供了借鑒。其中，Wang［8］設(shè)計的光源節(jié)能模型，能為燈組控制系統(tǒng)耗電優(yōu)化提供思路；Moon［9］的方案則結(jié)合了手機終端控制和智能模塊，互動性更強。但中國傳統(tǒng)燈會燈組，在光源分布距離、光通量調(diào)節(jié)、顏色切換以及工作時間設(shè)置上，不同于其他照明系統(tǒng)［11-16］，在光通量調(diào)節(jié)、顏色切換、控制距離等方面，應(yīng)有更高的要求，以滿足彩燈設(shè)計者意圖，對此類彩燈控制系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和設(shè)計。

1 總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)燈組光源光通量可調(diào)、顏色可切換以及工作時間可設(shè)置的目的，將彩燈控制系統(tǒng)分為3 層，不同層級內(nèi)完成不同功能，并通過指令逐層傳遞。其中終端節(jié)點負(fù)責(zé)光通量調(diào)節(jié)、顏色切換功能，協(xié)調(diào)器實現(xiàn)工作時間設(shè)置，統(tǒng)一控制所有節(jié)點工作。這種設(shè)計的優(yōu)越性在于系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，即當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)仍然能繼續(xù)工作，不會對彩燈燈組展示效果造成嚴(yán)重的損壞。此外，這種設(shè)計的接口清晰，升級換代以及規(guī)模拓展更為容易。設(shè)計的分布式彩燈控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式彩燈控制系統(tǒng)方案

1.1 硬件工作層

該層負(fù)責(zé)彩燈燈組中光源的驅(qū)動工作，主要由終端控制節(jié)點和光源兩部分組成。其主要任務(wù)是從ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)中，接收來自協(xié)調(diào)器的控制指令，并根據(jù)指令驅(qū)動光源進(jìn)行顏色切換、光通量調(diào)節(jié)以及工作時間控制。在硬件工作層，每個終端節(jié)點存儲著各自被控光源所有的顏色方案，即存在一個節(jié)點指令表，使得節(jié)點號與節(jié)點的方案號保持著對應(yīng)關(guān)系。因此，對于整個分布式彩燈控制系統(tǒng)，硬件工作層的每個節(jié)點都有一個節(jié)點指令表，共同實現(xiàn)燈組系統(tǒng)光源的所有變化。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層

分布式彩燈控制系統(tǒng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由各終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器組成。系統(tǒng)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層能自動識別、自動組織加入的終端節(jié)點。ZigBee 模塊在廣播模式下工作，并通過內(nèi)部宏定義進(jìn)行節(jié)點間識別。協(xié)調(diào)器布置在燈組內(nèi)部中心位置處。終端控制結(jié)點群與各自被控光源臨近，布置在燈組輪廓內(nèi)部需要光源的地方。

1.3 Internet網(wǎng)絡(luò)層

在Internet 網(wǎng)絡(luò)層，協(xié)調(diào)器與客戶端通過TCP/IP 通信協(xié)議進(jìn)行信息傳遞。協(xié)調(diào)器工作在彩燈燈組現(xiàn)場，客戶端既可以通過MQTT 遠(yuǎn)程控制，也可以在現(xiàn)場工作，控制彩燈燈組的運行。

2 系統(tǒng)方案實現(xiàn)

2.1 終端節(jié)點

本方案采用STM32F103C8T6 單片機作為終端節(jié)點主控核心，使用CC2530 為主控的DL-20 模塊進(jìn)行組網(wǎng)。每片STM32F103C8T6 成本5 元，DL-20 成本20 元，對應(yīng)普通燈組的控制規(guī)模，系統(tǒng)硬件成本約800 元，并能回收使用。相比之下，傳統(tǒng)靜態(tài)控制方式的光源系統(tǒng)用后即棄造成浪費。

2.1.1 節(jié)點硬件

終端控制節(jié)點的主要任務(wù)是驅(qū)動RGB LED 工作和接收協(xié)調(diào)器指令。常見的RGB LED 的驅(qū)動協(xié)議，其時序碼0、1、RESET 為納秒級別的，很容易受到干擾［17］，因此驅(qū)動信號與干擾信號要隔離開。按照“高頻電路布中間、干擾信號放外圍”的原則［18］，終端節(jié)點PCB設(shè)計如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點PCB

ZigBee 模塊通過串口接口，與主控核心進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳，主控核心也為ZigBee 提供電源。終端節(jié)點的通用引腳都可以作為RGB LED 的驅(qū)動引腳，可以根據(jù)燈組控制需要進(jìn)行裁剪。終端節(jié)點構(gòu)成如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點實物圖

2.1.2 節(jié)點軟件

在Keil uVision5 環(huán)境下，將μCOS-Ⅲ源碼移植至終端節(jié)點工程，并以創(chuàng)建任務(wù)模塊的形式對指令接收、協(xié)議解析、亮色方案模塊進(jìn)行代碼組織。終端節(jié)點主要包括指令接收、協(xié)議解析、方案任務(wù)3大模塊。

程序通過以下宏定義進(jìn)行跳轉(zhuǎn)和判斷，見表1，并在主函數(shù)中對METH_NUM進(jìn)行輪詢。

表1 開關(guān)控制變量

穩(wěn)定性是彩燈控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。為提高分布式彩燈控制系統(tǒng)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，利用“單次發(fā)射數(shù)據(jù)量與誤碼率成正比”的原理，將每次發(fā)送的指令，拆分成以一個字節(jié)為單位，依次發(fā)送。指令最終在各終端節(jié)點通過隊列完成拼接，即“分段接收，隊列存儲”機制。本次系統(tǒng)的指令由兩個字節(jié)組成。在設(shè)備位數(shù)為8的情況下，本協(xié)議最大容量為256個節(jié)點。

由于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)短小，ZigBee 模塊的工作載荷壓力小，信號在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中能夠維持足夠的強度，提高了終端節(jié)點接收的準(zhǔn)確率，從而達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。系統(tǒng)的指令大小為2 字節(jié)，而每次接收到的字節(jié)存儲在隊列中，直到隊滿，進(jìn)而觸發(fā)協(xié)議解析、節(jié)點識別以及光源亮色方案模塊。

2.1.3 光源亮色方案

光源亮色方案任務(wù)是分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行光源顏色控制、光通量控制的底層具體實現(xiàn)。其數(shù)據(jù)碼值由4個字節(jié)組成，第一個字節(jié)為地址編號，后3 個字節(jié)為被控RGB LED亮色方案碼值。

方案任務(wù)工作時，將數(shù)據(jù)碼值的亮色方案碼值按地址順序更新到顯示緩存區(qū)，然后調(diào)用RGB LED 的驅(qū)動函數(shù)，根據(jù)顯示緩存區(qū)中的內(nèi)容，在指定管腳，輸出相應(yīng)的0 碼、1 碼和RESET 信號。亮色方案碼值與RGB LED的顏色控制及光源光通量控制的關(guān)系如下：

（1）顏色控制方面。3 字節(jié)的數(shù)據(jù)碼值可以組合出256 × 256 × 256 = 16 777 216 種顏色，理論上能夠產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)、青、黃等顏色，滿足了燈組顏色控制需求。

（2）光通量控制方面。等比例對WS2812 光源的數(shù)據(jù)碼值進(jìn)行整體縮放，WS2812 光源就會發(fā)出相應(yīng)強度光亮，從而達(dá)到光通量控制目的。通俗地說，光源光通量越大，人眼感受越刺眼。

2.2 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是連接ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與Internet 網(wǎng)絡(luò)層的橋梁。在ZigBee 局域網(wǎng)中，協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播指令，統(tǒng)一控制系統(tǒng)所有終端節(jié)點，按燈組所需亮色方案工作。在Internet 中，協(xié)調(diào)器接收客戶端發(fā)送的指令，滿足現(xiàn)場調(diào)試或遠(yuǎn)程調(diào)試功能。

2.2.1 協(xié)調(diào)器硬件

樹莓派以功能豐富且價格便宜而著稱［19］。本次設(shè)計選用樹莓派4B+作為協(xié)調(diào)器，整體裝置如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器實物圖

2.2.2 協(xié)調(diào)器軟件

協(xié)調(diào)器軟件的基礎(chǔ)是Linux應(yīng)用程序編程和網(wǎng)絡(luò)編程。Linux應(yīng)用程序編程利用IO系統(tǒng)調(diào)用write（）和read（）函數(shù)進(jìn)行工作。Linux 網(wǎng)絡(luò)編程作為客戶端的服務(wù)器，與客戶端連接。協(xié)調(diào)器指令發(fā)送前，需要以下幾個步驟：

（1）獲取ZigBee 的設(shè)備描述符。Linux 中一切皆文件，通過串口轉(zhuǎn)USB的ZigBee也是如此。使用open（）函數(shù)打開ZigBee 模塊，并設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位等信息，返回ZigBee模塊的文件描述符資源。

（2）制作指令表。根據(jù)控制的規(guī)模，使用unsigned char 類型數(shù)組，順序存儲待發(fā)送指令碼。本次設(shè)計的是兩字節(jié)指令，因此偶數(shù)位為設(shè)備號，奇數(shù)位為方案號。

（3）發(fā)送指令。調(diào)用write（）函數(shù)，將指令表內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入ZigBee 模塊的文件描述符。并根據(jù)節(jié)點工作的時間關(guān)系，合理調(diào)用sleep（）函數(shù)進(jìn)行控制時間設(shè)置。

制作任務(wù)驅(qū)動模塊中的指令表，是本系統(tǒng)下燈組光源調(diào)試人員工作的主要工作內(nèi)容。彩燈調(diào)試人員要將燈組的展示效果，轉(zhuǎn)換成一條條的控制指令，在協(xié)調(diào)器程序運行時，發(fā)送這些指令。

協(xié)調(diào)器接收客戶端指令時，與客戶端約定端口號進(jìn)行TCP/IP 通信，并根據(jù)客戶端發(fā)送的消息，對終端節(jié)點群發(fā)送ZigBee 廣播指令，進(jìn)而對燈組光源進(jìn)行控制。協(xié)調(diào)器與客戶端之間維持了一個結(jié)構(gòu)體緩存，每次接收到的信息都將刷新這片緩存區(qū)。協(xié)調(diào)器接收到命令后，解析該指令，并根據(jù)查詢表，開辟相應(yīng)的線程，運行這個指令所對應(yīng)的任務(wù)。每收到一個客戶端指令都將判斷并刷新指令。

多線程任務(wù)有利于資源共享［20］，在協(xié)調(diào)器段維護(hù)的指令表會被所有的線程調(diào)用到，相對于多進(jìn)程方法，無需解決進(jìn)程間通訊等問題，并可通過互斥鎖機制保護(hù)臨界資源ZigBee套接字。

2.2.3 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)庫

彩燈控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫用以存儲協(xié)調(diào)器的指令調(diào)用記錄，并為系統(tǒng)的后續(xù)功能開發(fā)提供接口。

SQLite3 在協(xié)調(diào)器上通過apt-get install sqlite3 命令 完成安裝［21］。 在協(xié)調(diào)器的程序代碼中，使用sqlite3_open（）函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫后，每次對終端節(jié)點發(fā)送指令時，調(diào)用sqlite3_exec（）函數(shù)對時間、設(shè)備號、指令號信息進(jìn)行數(shù)據(jù)庫插入、增添和刪除等操作。

2.3 客戶端

系統(tǒng)使用Qt 應(yīng)用程序框架進(jìn)行客戶端程序開發(fā)。客戶端程序使用network 庫完成與協(xié)調(diào)器之間的連接、斷開和發(fā)送等核心任務(wù)。客戶端與協(xié)調(diào)器約定一個通訊結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)如下所示。

這個自定義結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)主要功能是存儲發(fā)送的指令，也可以存儲數(shù)據(jù)庫查詢記錄，用于客戶端查詢和顯示。

客戶端界面設(shè)計如圖5 所示，其屬性、名稱及功能，見表2。

圖5 上位機程序界面

表2 客戶端界面上各控件名稱、類型及功能

客戶端后臺的主要功能是發(fā)起連接、斷開連接、發(fā)送協(xié)調(diào)器指令。

客戶端后臺邏輯的連接步驟如下：

（1）新建一個公有繼承于QObject 的類MyControl，統(tǒng)一處理程序中關(guān)于連接、斷開、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等指令，信號與槽函數(shù)寫在這個類里。

（2） 將 客 戶 端 界 面 上 的 “ 連 接 ” 按 鈕pushButton_connect 的信號clicked（）綁定處理連接的槽函數(shù)，在這個槽函數(shù)內(nèi)部，通過connectToHost（）對協(xié)調(diào)器發(fā)起連接請求。

（3）如果連接成功，則emit（）連接成功信號，通知客戶端界面通過setText（）設(shè)置pushButton_connect 的新名字為“斷開”，并且將“發(fā)送”按鈕激活setEnabled（true），這意味著客戶端已經(jīng)與協(xié)調(diào)器建立好TCP/IP連接。

客戶端后臺邏輯的斷開步驟如下：

（1） 將 客 戶 端 界 面 上 的 “ 斷 開 ” 按 鈕pushButton_connect 的信號clicked（）綁定處理斷開的槽函數(shù)，在這個槽函數(shù)內(nèi)部，通過DisconnectToHost（）對協(xié)調(diào)器發(fā)起斷開請求。

（2）如果斷開成功，則emit（）相應(yīng)信號，通知客戶端界面通過setText（）設(shè)置pushButton_connect 的新名字為“連接”，并且將“發(fā)送”按鈕激活setEnabled（），這意味著客戶端處于空閑狀態(tài)，沒有與任何協(xié)調(diào)器有連接。

客戶端界面上的“發(fā)送”關(guān)聯(lián)發(fā)送信號槽。當(dāng)點擊發(fā)送，讀取lineEdit 上的數(shù)據(jù)內(nèi)容填充至全局緩存，然后通過write（）發(fā)送。需要注意的是，每次使用完這個全局緩存，要用memset（）將緩存清空，否則在使用時會出現(xiàn)上一次消息的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 基本功能測試

基本功能測試的目的在于檢驗終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、客戶端三者之間能否完成工作，指令能否在各層之間傳遞和流動。本次測試采用5 個終端節(jié)點，它們直接受協(xié)調(diào)器的指令控制，間接受客戶端發(fā)送的指令控制，按照設(shè)定發(fā)出相應(yīng)顏色的光。測試步驟如下：

（1）分配節(jié)點號

根據(jù)要求，將每個終端節(jié)點的設(shè)備設(shè)定為不唯一。在Keil uVision5 環(huán)境下，將1 號節(jié)點的MY_NUM 設(shè)定為1，依次類推。

（2）制作方案數(shù)據(jù)碼值

此次測試的5個被控光源都是12像素，其各自節(jié)點都存儲了紅、綠、藍(lán)、青、黃、紫等常見顏色的數(shù)據(jù)碼值。其中，紅色方案碼值見表3，其余顏色只需調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)碼值的RGB占比即可。

表3 節(jié)點紅色方案碼值

（3）制作指令表

在協(xié)調(diào)器程序上，制作5 個節(jié)點需要完成的指令表。

（4）搭建工作環(huán)境

為5 個終端節(jié)點，連接配置好的ZigBee 模塊，連接各自的被控光源，并為它們接通電源；搭建好協(xié)調(diào)器工作環(huán)境，配置好協(xié)調(diào)器ZigBee 模塊，連接上WIFI 局域網(wǎng)，在協(xié)調(diào)器上運行編寫的線程服務(wù)器；在PC 上運行客戶端程序，對協(xié)調(diào)器發(fā)起連接，建立TCP/IP通信。

（5）發(fā)送指令

在打開的客戶端數(shù)據(jù)輸入框內(nèi)，輸入指令“zigbeework”，并點擊發(fā)送。

（6）觀察結(jié)果

觀察終端節(jié)點的光源能否按照想要的方式點亮。各終端節(jié)點的光源，能根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)顏色的光亮，測試效果如圖6 所示。此時光源像素為12，每顆像素30 lm，光源總光通量為12×30 lm×100%=360 lm。

圖6 各節(jié)點控制結(jié)果

以上測試結(jié)果說明，指令能在系統(tǒng)的Internet 網(wǎng)絡(luò)層、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以及硬件工作層之間傳遞，Internet 網(wǎng)絡(luò)層的客戶端程序能夠控制光源按照設(shè)定方式工作。

3.2 切換時間測試

切換時間測試，是測試節(jié)點每次接收到完整的有效指令后，節(jié)點方案切換時間是否滿足性能要求，檢驗光源亮色方案任務(wù)模塊設(shè)計是否合理。測試步驟如下：

（1）終端節(jié)點接通電源，并連接串口調(diào)試助手。

（2）打開Keil uVision5 軟件，將ST-LINK 連接到終端節(jié)點硬件，點擊“start Debug Session”按鈕，建立仿真連接。

（3）通過串口助手發(fā)送指令，使用ST-Link并在每個方案開始位置記錄時間。

仿真后的結(jié)果表明，光源亮色方案切換時間約為0.211 s，人眼難以察覺，可以滿足燈組需要。

3.3 組網(wǎng)距離測試

組網(wǎng)距離測試實驗，是為了檢驗ZigBee 局域網(wǎng)中ZigBee 模塊的通信能力是否滿足燈組控制的距離需要。測試步驟如下：

（1）將終端控制節(jié)點布置在1 m、5 m、100 m范圍內(nèi)，測試控制效果。

（2）將數(shù)據(jù)通過ZigBee 送入一個終端控制節(jié)點，運行無線燈帶測試系統(tǒng)。

（3）將測試方案對應(yīng)的方案碼值，燒錄進(jìn)一個測試用終端控制節(jié)點。

（4）將測試終端節(jié)點連接至光源，并接通電源，等待指令。

（5）觀察被控節(jié)點有無按照指令變化。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，100 m 范圍內(nèi)無遮擋下能穩(wěn)定工作，節(jié)點的指令接收模塊有效。并建議系統(tǒng)的節(jié)點分布范圍，在協(xié)調(diào)器周圍50 m內(nèi)最佳。

4 結(jié)束語

使用ZigBee 無線傳感器技術(shù)對燈組光源組網(wǎng)，在減少布線麻煩的同時增強光源位置的靈活性，使光源可以放置于燈組內(nèi)部所需位置。此外，該系統(tǒng)在光通量調(diào)節(jié)上裁剪性好，光源可控顏色多，光源顏色切換時間短。

分布式彩燈控制系統(tǒng)能對光源光通量以30 lm 為單元進(jìn)行裁剪，并在0~255 范圍內(nèi)按需調(diào)節(jié)；光源亮色方案切換時間短，能在0.2 s左右完成切換，人眼無法察覺；系統(tǒng)在100 m 范圍內(nèi)，正常遮擋環(huán)境下沒有出現(xiàn)誤碼，“分段接收，隊列存儲”機制有效；系統(tǒng)的指令協(xié)議支持255個終端節(jié)點組網(wǎng)，且能按需裁剪組網(wǎng)規(guī)模；系統(tǒng)裝置可以回收和反復(fù)使用。