分布式无线照度测量系统设计

徐 铭 栋， 成 育 凯， 张 环 月， 刘 美 言， 陈 立 崟， 高 英 明

( 1.大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连 116034；2.大连理工大学 材料科学与工程学院， 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

照度是评价照明效果的重要指标。照度分布不随时间变化的环境为静态光环境，否则称为动态光环境。由于无法同时对所有被测点的照度进行测量，对于应用多点照度测量来评价光环境的整体照明指标，如照度均匀度等，采用人工逐点测量方法无法得到准确结果。传统的照度测量方法自动化程度低、采集范围小，且不便于数据传输与应用，因此难以适用于动态光环境的照明效果评价。

针对传统的照度测量方法采集范围小的缺点，王国建等[1]提出的分布式照度采集系统，利用嵌入式TCP/IP技术传送数据，实现了照度信息远程采集、集中处理与网络共享。采用无线通信技术的分布式无线照度测量系统[2-5]，与分布式照度采集系统相比具有组网灵活，便于布置的优点。

本研究针对大空间动态光环境的特点，设计了分布式无线照度测量系统，系统具有照度实时采集、数据无线传输、测量面积大等特点，能够很好地评价大空间动态光环境的整体照明效果。

1 分布式无线照度测量系统硬件设计

1.1 系统总体设计

分布式无线照度测量系统包括照度采集节点和协调器节点，它们通过ZigBee技术组网，构成以协调器节点为中心的星状拓扑结构。照度采集节点由电池供电，包括供电单元、采集单元、处理单元与通信单元，小巧且易于布置。协调器节点发起创建分布式照度测量网络系统，接收来自照度采集节点的数据，并将其发送给上位机。系统设计选择工作电压相重叠的器件，这样采用统一的电压便可为系统供电。

图1 分布式无线照度测量系统总体设计Fig.1 The overall design of distributed wireless illumination measurement system

1.2 照度采集节点设计

照度采集节点如图2所示，由2节AA电池供电。供电单元电路如图3所示，采用升压型DC/DC MAX756，可使电池的能量充分释放[6]。MAX756的转换效率最高可达90%，具有电池监控功能，电池电压监控可通过R3与R5测定，监测信号通过引脚LBO_OUT输出。MAX756可选择输出5 V或3.3 V电压，引脚2接地输出5 V 电压，引脚2接输出端则输出3.3 V电压，本设计采用3.3 V的输出电压为采集节点供电。

处理单元采用低电压STC15F2K08S2单片机，它集成高精度RC时钟，不需要外部晶振和外部复位电路，只要提供2.4～3.6 V的电压就可以工作[7]。处理单元电路如图4所示，单片机的引脚分配给采集单元，供电单元和通信单元，用于测量照度、监控电池和收发数据。引脚BH1750_SDA和BH1750_SCL与BH1750照度传感器的I2C总线相连；引脚LBO_OUT与供电单元相连，用于监测电池状态，电池电压低于阈值时产生中断；引脚A00～A12，M00～M01，REST，RxD_ZB与TxD_ZB与通信单元相连，分别用于设置通信地址与模式，复位通信单元和传输数据。

图2 照度采集节点Fig.2 Illuminance collecting node

图3 供电单元电路Fig.3 The circuit of power supply unit

通信单元由ZigBee串口透传方案ZAuZx_T的路由器设备组成，通信单元电路如图5所示。上电后与P1.0引脚连接的LED在未加入网络之前呈闪烁状态，成功加入网络后便处于点亮状态。因此，这种指示功能不宜在功耗要求苛刻的场合中使用。由于单片机的串口1用于ISP在程序开发时输出调试信息，为了避免对ZAuZx_T造成干扰，使单片机的串口2与其相连。

图4 处理单元电路Fig.4 The circuit of processing unit

图5 通信单元电路Fig.5 The circuit of communication unit

ZigBee串口透传方案ZAuZx_T的支持3种通信模式，分别是广播模式、一对多模式和点对点模式，通信模式由模块的P1.3和P1.5引脚的电平状态进行设置。本系统使用一对多通信模式，此时P1.5接低电平，P1.3接高电平。串口透传方案ZAuZx_T的一对多模式可以构成形如“服务器-多传感器终端”的一对多采集结构，该模式下协调器从串口接收的数据包会完全透明地传输到所有路由节点，系统如同直接使用串口进行通信，所发即所得。

1.3 协调器节点设计

由ZigBee透传方案ZAuZx_T主机模块构成的协调器节点，负责创建网络，接收由各照度采集节点发送的照度数据之后上传到上位机，以便进行后序的数据处理工作，如照度数据存储、进行照度计算与结果显示等，协调器节点如图6所示。上位机发给采集节点的“启动”/“停止”等命令通过协调器节点进行中转。协调器节点的ZAuZx_T主机模块通过CH340G与上位机的USB接口相连，主机模块的地址引脚均悬空，通过2段拨码开关设置工作模式，LED上电闪烁几次后便处于点亮指示状态。协调器节点电路如图7所示。

图6 节点协调器Fig.6 Coordinator node

图7 协调器节点电路Fig.7 The circuit of coordinator node

2 分布式无线照度测量系统程序设计

2.1 采集节点程序设计

采用ZigBee串口透传技术可以不必过多关注较为复杂的网络通信协议，减小了程序设计的工作量，加速了开发进程。照度采集节点程序的设计内容主要包括：传感器、单片机与通信模块的初始化，照度测量与数据发送/接收等。程序流程如图8所示。

图8 照度测量节点程序流程图Fig.8 The flow chart of illuminance collecting node program

2.2 帧结构设计

为了传输数据与指令，系统定义了命令帧与数据帧。命令帧是上位机下行发送给照度采集节点的，用于使节点进入相应的工作状态。数据帧是照度采集节点上行发送给上位机的，用于传输照度测量结果。

命令帧共4字节，第1字节存放帧类型，用于控制采集节点的程序进入相应的解包过程；第2字节存放命令码，0xAA表示“连续测量”，0xBB代表“单次测量”，0xCC表示“停止测量”；第3字节为采样间隔，只对连续测量模式有效；第4字节为帧结束标志，用以提示上位机数据接收完成。

数据帧共6字节，第1字节存放帧类型，作用与命令帧的相同；第2、3字节存放照度传感器BH1750测量结果的高8位与低8位；第4字节为检测节点编号，用于区分检测节点；第5字节为数据帧编号，表示照度测量的顺序号，初值为0，每完成一次测量编号便加1，溢出后由程序清零，重新计数；第6字节为帧结束标志。

2.3 数据同步

系统采用串口透传方案ZAuZx_T的一对多通信模式，此时协调器节点逐个发送命令给采集节点，存在发送时延。协调器节点逐个接收各采集节点发回的数据，存在接收时延。显然最大发送时延与最大接收时延会随着采集节点数目的增加而增加。假设系统有M个采集节点，在连续测量模式下分别发送的N组数据可构成一个二维数组L，其中数组的行号i(1≤i≤M)与节点编号对应，数组的列号j(1≤j≤N)与帧编号(节点发送数据帧的顺序)对应。数组的元素Li，j即为编号为i的节点发送的第j组照度。i与j都可通过收到的数据帧中的对应字节确定。上位机通过对二维数组结构每列元素的访问，消除接收时延的影响提高数据的同步性。

3 系统误差实验

为了测试分布式无线照度测量系统的测量精度，在实验室内进行系统误差实验。将照度采集节点与标准照度计一同放在标定装置上，确保照度采集节点与标准照度计在等照度面，在不启用人工照明的情况下使用两个照度采集设备测量室内照度。通过对实验数据计算分析后得出结论：与标准照度计相比，分布式无线照度测量系统相对误差平均值为±3.56%，系统测量精度可以达到0.5 lx。

完成系统误差实验后，进行了照度测量与数据传输实验。动态光环境照度测量需要对多个被测点的照度进行测量。实验方法采用国家照明测量标准(GB/T 5700—2008)规定的中心布点法，将照明区域划分为若干正方形网格单元，每个网格单元中心作为被测点放置照度采集节点[8]。在室内测量中，网格单元间距0.5～10 m；在室外测量中，网格单元间距2～10 m，具体布局需要根据被测场所的实际情况而定。

实验使用了1个协调器节点，6个照度采集节点，每隔5 m放置一个采集节点，采用“一对多”通信方式。实验时间选择早上6～8点，因为这段时间太阳刚刚升起，光照强度变化比较明显。实验环境选在研究所大厅，大厅内各处采光情况不同，便于模拟大空间动态光环境以满足测试要求。实验内容是照度采集节点将所测量的照度与自身的标识发送给上位机，首先，通过拔码开关将协调器节点设置为一对多通信模式(照度采集节点的通信模式在节点程序的初始化阶段设定)；其次，将协调器节点插入上位机的USB接口，启动上位机的串口助手，选择与协调器节点连接的串口，设置波特率与数据格式；最后，启动6个采集节点(通信模式在初始化阶段完成)，每隔5 min采集一次数据，并在上位机观察结果。

实验结果如图9所示，可以看出，分布式无线照度测量系统能够测量出各被测点的照度变化，测量结果反映出照度随时间变化逐渐增大的线性变化趋势。

图9 照度采集与传输实验结果Fig.9 The result of illumination acquisition and transmission

4 结 论

采用ZigBee串口透传技术设计了面向大空间动态光环境评价的分布式照度测量系统。实验表明系统相对误差为±3.56%，精度可以达到0.5 lx，验证了系统照度测量与数据通信功能。照度采集节点由两节AA电池供电，尺寸小巧便于布置。采集节点具有电池监控能力，用于提示更换电池。在一对多通信模式的基础上，提出了一种数据同步方法，该方法通过数据帧中帧编号的设计消除了协调器节点接收数据的时延，提高了数据同步性。