基于无线传感器网络的照明测量系统

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

照明的 目的是为人类提供 良好舒适的视觉环境 ，照明质量与人类 的生活、学习 、工作 、安全 以及环境美化息息相关。照明质量的评价指标主要有照度、照度均匀性 、亮度 、亮 度均匀性 、显色指数 、色温及 眩光等。 目前对照度 、亮度及其均匀性 的测量-般是将被测区域划分成矩形 网格 ，然后采用手持式照度计 、亮度计逐点测量。以单侧布灯的单 车道道路照明测量为例 ，如果 两灯柱的间距 ≤50m，则两灯柱间路段的测量点数就要达到 30个 ，对于长达数公里 的道路 ，测量难度可想而知 。 目前的照明测量方法及 仪器 存在 以下缺 点 ：1)测量 工作 量大 、效率低，完成-次测量需要数小时，测量过程中灯具 电压波动将导致测量数据不准确 ，道路照明测量时间 过 长还 会 影 响交 通 、威胁 检 测 人 员 的安 全 ；2)采用手持式照度计测量 照度 ，检测人 员读数 时基金项 目：十- 五” 国家科技支撑计划 重点项 目 产品质量安全检测技术与仪器设备研 发” (No.2009BAK58B03)照明工程学报 2013年 2月的人影遮挡会极 大影响测量结果 的准确性 ；3)采用亮度计测量路面亮度时 ，瞄准远处 的测量点十分闲难 ，而且不 同点 的测量 区域可能 产生重合 ；4)测量色温时 ，没有考虑被测光 的不同光谱功率分布对测量结果的影 响 ；5)无法实 时监测 照明现场照明指标的变化情况。

无线传感器网络技术是信息感知和采集 的-场革命 ，主要应 用于军 事 、工业 、农业 、智能交 通、家庭与降 、环境保护等 ，近年来在照明领域 的应用案例也 日益增多 儿 儿 ，但 主要集 中在对照明系统的开关控制及 电力参数和故障状态 的监控 ，对现场照明质量进行高精度实时测量 的无线传感器 网络系统还未见有 文献报道。针对 以上问题 ，本文研发了基于无 线传感 器 网络 的照 明测量 系统 ，采用ZigBee技术和 GPRS技术 ，实现了照度 、亮度 、色温等参数的 自动采集 、无线传输和高精度实时监测。

2 系统总体架构如图 1所示 ，无线传感器 网络照明测量系统 由底层的无线传感器 网络 、中层的 ZigBee-GPRS网关和上层的 Internet网络 组成 ，若干个 照度、亮度 和色温无线传感器结 点与 ZigBee-GPRS网关构成星形网络拓扑结构 ，具体数量可 以根据测量要求和现场条件进行配置。无线传感器结点分别采集照明现场的照度 、亮度和色温，然后利用 ZigBee技术将测量数据无线发送至远处 的 ZigBee-GPRS网关 ，网关再通过 GPRS技术将数据长距离发送给 GPRS服务器 ，图 1 照明质量监测 系统总体架构Fig.1 Framework of illumination measurement system最后客户端 就可以通过 Internet实 时查看 现场测量数据。当没有条件配置 GPRS服务器或测量现场没有 GPRS通信条件时 ，也可将网关与笔记本 电脑相连接 ，直接在测量现场采集数据 。

3 系统硬件设计3.1 无线传感器结点的硬件设计图 2为照度、亮度和色温无线传感器结点 的实物图 ，图 3为其硬件结 构图，主要 由照度/亮度/色温传感器拈 、信号处理拈及 ZigBee通信拈三部分组成。

隧 图 2 照度 、亮度 、色温无线传感器结点实物图Fig.2 W ireless sensors of illuminance，Luminance and color temperature幽 3 尢 线 传 感 器 结 点 馊 件 结 构Fig.3 Hardware structure of wireless sensors照度传感 器拈的主要部件有光辐射探测器 、余弦校正器和 V ( )滤光片等。对应于 0～2001x的照度，传感器的输出信号经过变送器转换后输出4～20mA的标准电流。

亮度传感 器拈的主要部件有光辐射探测器 、V (入)滤光 片、物镜 、反 射板 和 目镜等。对应 于0～20cd/m 的亮度 ，传感器的输出信号经过变送器转换后输出 4～20mA的标准 电流。国标推荐采用带有望远镜头且视场 角 ≤2。的亮度计 在距路面 1.5m处测量前方 60～160m远各规定点 的亮度 。当视城为圆形时 ，实际上是测量远处 路面上-块上宽下窄的锥棒形 区域 ，测量距离越 远、视城越 大，测量 区域就越大，很容易造成不同点的测量 区域互第 24卷第 1期 庄鹏 ：基于无线传感器网络的照明测量系统 39相重合 ，而且亮度计 瞄准远 处的测量 点十分 困难 ，因此测量效率 、精度和重复性均很差。为此 ，设计了梯形 视 场 亮 度 计 ，可 以 - 次性 测 量 前 方 60～160m、5m宽路 面的平均亮度 ，极 大提高 了测量效率和准确度 。通过改变梯形光阑 ，可以测量不同长度和宽度路面的平均亮度。

色温传感器拈通过测量红 、绿 、蓝三刺激值计算出被测光的色温。由于滤光 片对色 匹配 函数的模拟不可能完全理想，对于不同光谱功率分布的光，色温传感器的测色校正系数是不 同的，只有当被测光的光谱功率分布与标准光相近时 ，才能得到正确的色温值 。目前的色温测量仪器大多采用 2856K的标准 A光源进 行校准 ，当被测 光 的光谱功 率分 布(如 LED光源 )与标准 A光源相差较大时 ，测量结果将产生较大误差。为此 ，设计 了可 以根据不同的被测光设置相应测色校正系数 的色温传 感器 ，提高了色温测量的准确度。

信号处理拈负责 电流 -电压转换和分压 。由于 ZigBee通信拈 的内部微 处理器 CC2530具有 8至 14位 精 度 的 电 压 型 AD转 换 器 ，供 电 电 压 为3.3V，因此需先将传感器拈输出的 4～20mA电流信号转换为0～5V电压信号，再分压为0～3.3V的电压信号输入给 AD转换器 。

ZigBee通信拈由微处理器 CC2530、射频 阻抗匹配 电路 和 2.4GHz天线 等部件 组成 。CC2530是ZigBee新 - 代 SoC 芯 片，支 持 IEEE 802.15.4/ZigBee/ZigBee RF4CE标准 ，其 内部集成 了 2.4 GHzIEEE 802.15.4标准射频 收发器 和 8051微处理器 。

微处理器用于运行 ZigBee协议栈程序 ，并对 收发数据包进行分析和处理。射频阻抗 匹配 电路负责连接微处理器 的射频端与 天线 ，并提供 501 的阻抗 匹配。2.4GHz天线采用塑胶 棒天线 ，输入 阻抗 50Q，增益为 3dB。

电源拈采用 9V干 电池供电 ，输出 ±5V电压(供传感器 、运放使用 )和 3.3V 电压 (供 CC2530芯片使用)。 5V电压 由电压调节芯片 ASM1117-5.0提供 ，该芯片输 人电压范 围为 6.5V～15V，输出电压稳定在 5.O00V±0.050V。 -5V电压 由 DC/DC电荷泵 电压反转专用芯片 LY7660C提供 ，该芯片能将输 入范围为 2.5V至 10V 的电压转换为- 2.5V至 -IOV的输出 ，并且只需外接两只低损耗电容 ，无需 电感 ，能耗和电磁干扰较低。 3.3V电压由电压调节芯 片 ASM1117-3.3提供 ，该 芯片输入 电 压 范 围 为 4.75V ～12V，输 出 电 压 稳 定 在3.300V -4-0.033V。

3.2 ZigBee-GPRS网关的硬件设计图4为 ZigBee-GPRS网关的硬件结构 图，主要由 ZigBee通信拈和 GPRS通信拈等组成。

图4 ZigBee-GPRS网关硬件结 构图Fig.4 Hardware structure of ZigBee-GPRS gateway网关的 ZigBee通信拈 的硬件结构与上述无线传感器结点的 ZigBee通信拈基本-致 ，主要负责建立和维护 ZigBee网络 ，并接收各个无线传感器结点上传的测量数据。

GPRS通信 模 块 由 GSM/GPRS拈 SIM9OOA、SIM卡 、启动复位按钮 、网络指示 灯和 900MHz天线等部件组成 ，主要 负责与 GPRS网络建立 连接 、对无线传感器结点上传的测量数据进行处理并上传至 GPRS服务器 。SIM900A 与 CC2530通过 串 口连接 ，TXD和 RXD分别 为串 口的数据发送 和接收引脚 ，GND为公共接地端 。SIM9OOA与 SIM卡通过标准 SIM卡接 口连接 ，其 中 VSM 引脚输 出 1.8V SIM卡工 作 电压 ，DATA、CLK 和 RST引 脚 分 别输 出SIM卡的数据信号 、时钟信号 和复位信号 。网关 在建立 ZigBee网络之后 ，常按启 动按 钮 1 s以上启 动GPRS通信拈 ，建立与 GPRS网络的连接 ，网络指示灯表明当前的网络状态。

电源拈 由电源适 配器直 接供 电，输 出 4.2V电压 (供 GPRS通信拈使用 )和 3.3V 电压 (供CC2530芯片使用)〖虑到 SIM900A拈 的启动电流大 于 2A，故 采 用 高输 出 电流 的 电压 调 整 芯 片MIC29302进行 供 电，该 芯片 的最 大输 出电流可 达3A。由于 GPRS通信时瞬间电流非常大 ，特别是在照明工程学报- 些信号不好的地方 ，为了搜索 网络信号 ，拈会提升 自身发射功率 ，此时如果不能保证足够大的供电电流，将导 致 SIM900A工作 不稳定 ，甚至 不能T作。

4 系统软件设计4.1 网关与传感器结点软件设计ZigBee-GPRS网关和无线传感 器结 点 的嵌入 式软件是在 IAR Embedded Workbench for MCS51集 成开发环境 中完成的，程序框图如图 5所示 。

ZigBee.GPRs网关 ； 无线传感器结点开始初始化硬件电路和ZigBee协议栈二二二[二二二建5LZigBee网络等待无线传感器结点加入二二二二二二[二二 手动与GPRS网络建立连接建立ZigBee连接分配网络地址//，监测数据包发送测量数据至GPRs服务器开始初始化硬件电路和ZigBee协议栈二工二发送请求加入网络数据包无线传感器结点采集并发送测量数据包图5 网关与无线传感器结点的程序框图l'ig.5 Program flowchart of gateway and wireless sensors网关 的 工 作 流 程 如 下 ：1) 对 硬 件 电路 和ZigBee协议栈进 行初始化；2)建立 ZigBee网络并等待无线传感器结点加入 ；3)手动启动 SIM900A，与 GPRS网络建立连接 ；4)监测入 网无线传感器结点 的 数 量 ，判 断 是 否 达 到 网 络 容 量 的 最 大 值 ；5)当有无线传 感器结 点 申请 加入 ZigBee网络时 ，为其分配 ZigBee网络地址 ；6)轮询侦听空气 中已建立连接的无线传感器结点发送来的数 据包 ，如果数据包 合 格 ，则 CC2530通过 串 口将 数 据 发送 至SIM900A；7) SIM900A 将 数 据 发 送 至 GPRS服务器。

无线传感器结点 的工作流程如 下：1)对硬件电路 、模 数 转换 器 和 ZigBee协 议 栈进 行 初始 化 ；2)向网关发送请求加入 网络数据包 ，并等待分配网络地址 ；3)加入 网络后 ，各个无线传感 器结点将基本信息 (包括设备 ID号 、16位个域 网 ID号 、l6位 ZigBee网络地 址及 当前状 态 )发送 给 网关 ，再 由网关将这些基本信息上传至 GPRS服务器；4)无线传感器结点按预设周期将测量数据实 时发送至网关。

当信号链路质量较低 时，测量系统采用跳频功能 自动更换无线传输信道 ，保证 了无线信号 的传输质量并提高了系统的可靠性及抗干扰能力。

4.2 服务器和客户端软件设计服务器 和客户端软 件采用 LabView语 言编写 ，软件界面如图6所示。

.J帽 J i. 蠲 蠲 圜j墨i岛蠲 嚣 蜀荔圜 蠲 匿墨 墨图6 客户端软件界面Fig.6 Interface of client software服务 器 的 工 作 流 程 如 下 ：1) 等 待 ZigBee-GPRS网关进 行 GPRS网络 连 接 ，如果 未 收 到 连接请求 ，则继续等 待 ，如果 收到连接 请求 ，则建立 TCP连接 ；2) 当无 异 常发 生 时 ，服务 器 直接读取 网关上传 的数据 ，并 对数据 进行存 储 、分析和处 理 ；3) 当有 异 常发 生或 长 时 间未 收到 数据包 时 ，询 问网关 并 等待 响 应 ；4) 如果 收 到 响应则读取 网关上 传 的数 据 ，若未 收到响应 ，则继续询 问网关 。

客户端的工作流程如下 ：1)进行 TCP连接初始化 ；2)尝试 与服务器建立 TCP连接 ，如果建立连接失败 ，则重新建立 连接 ，如果在指定时间内仍不能建立连接 ，则超时退出；3)与服务器建立 TCP连接后 ，客户端查询是否有异常情况发生 ，如果有异常发生 (如断线 、流量低 、速度 慢等)，则发送异常询问数据包至服务器 ，请求服务器进行检查 和处理 ；4)如果 客户端 没有接 收到服务 器 的响应 ，则 继 续 询 问 服 务 器 ，直 至 获 得 服 务 器 的 响 应 ；5)如果无 异 常 发生 ，则从 服 务 器读 取 测 量 数据(客户端读取数据 的周期应与服务器发送数据 的周期-致)。

第 24卷第 1期 庄鹏：基于无线传感器网络的照明测量系统 415 无线传感器结点的校准无线传感器结点 的校准是保证其测量结果准确性的手段。在设计与制作过程 中已经保证了传感器拈 的输出电流与输入光照度的严格线性关系 ，但随着仪器的老化及环境条件的改变 ，传感器拈会产生零点漂移和灵敏度漂移 ，这些误 差应通过校准给予消除。以亮 度传感器拈为例 ，其输 出电流 ，与亮度 的关系为L (，-4)×1.25 (1)由信号处理拈的电流电压转换电路和分压电路的线性特性可以得到传感器结点的输 出电压 与亮度 的关系为 - B其中 U 为无输入 (0cd/m )时传感器结点的输出电压；U 为满量程输入 (20ed/m )时传感器结点的输出电压 ；K为传 感器灵敏 度漂移修正 系数 ；B为传感器零点漂移修正系数。

采用标准规定 的方法 对本测量 系统的无线传感器结点进行校准 ，在全量程范围内，30个照度结点的相对测量误差 的均值为 1.05% ，标准偏差为1.09% ；2个 亮 度 结 点 的 相 对 测 量 误 差 分 别 为- 1.53%和 -1.00%；2个 色温结点 的测量误差分别为 10K和 -15K (在标 准 A光源 2001x照度 的条件下测量 )。

6 结论为满足高效 、准确 、可靠 、实时测量现场照明质量参数的要求 ，开发了基于无线传感器 网络 的照明测量 系统 ，该系统具有 以下特点 ：1)能够对 照度 、亮度 、色温等参数进行 多点 同步采集 ，实现测量数据的自动无线传输，在快速测量的同时还消除了电压波动 、人影遮挡对测量结果造成的不利影响；2)采 用梯 形视 场 的亮 度计 ，通过改 变梯形 光 阑，可以测量不同长度和宽度路 面的平均亮度 ；3) 色温传感器可以根据不 同的被测光设置相应 的测色校正系数 ，提高了色温测量 的准确度 ；4)可对无 线传感器拈的灵敏度漂移和零点漂移进行修正，消除 了仪 器 老 化 及 环 境 变 化 对 测 量 精 度 的影 响；5)采用跳频技术 ，提高了系统的抗干扰能力。

经校准及现场使用验证 ，本测量系统操作简便 、测量精度高 、数据传输可靠 ，完全能够满足照明参数的现场测量要求 。