CN107705523A - 一种分布式照度同步测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式照度同步测量系统，包括上位机(3)和下位机，所述下位机包括设置在动态光环境中的若干个照度测量节点(1)和一个协调器节点(2)；所述分布式照度同步测量系统系统利用传感器技术、ZigBee无线通信技术对照度进行测量、数据无线传输和处理。本发明采用无线网络通过协调器进行组网，照度测量节点加入网络，每个节点都有自己所对应的地址，能对大面积的多点照度同时测量。克服了传统照度测量只能测量某一点的照度，如果对大面积的照度进行测量时既耗费人力物力又存在误差，分布式照度测量系统中的照度测量节点能对大面积的照度进行同时测量的问题。用户可以控制上位机软件实现瞬时的照度同步测量，节省人力物力，测量准确。
Description
技术领域
本发明涉及照度测量和无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种分布式照度同步测量系统，利用传感器技术、ZigBee无线通信技术对照度进行测量、数据无线传输和处理的同步测量系统。
背景技术
照度是评价照明效果的重要指标。空间照度分布不随时间变化的环境为静态光环境，否则为动态光环境。如单纯使用电光源获得空间照明称为静态光环境，通过混合使用日光与电光源获得便是动态光环境。照明测量是为了检验照明设施所产生的照明效果与各照明设计标准以及设计要求的符合情况，进行各种照明设施的实际照明效果的比较。在测量的内容里最重要的就是照度测量，在一次测量中需要对多点的照度进行测量。根据照明测量方法的国家标准(GB/T5700-2008)的要求，一般将照明区域划分为矩形网格，网格形状以正方形为最宜，采用中心布点法或四角布点法进行测量。中心布点法的测量方法是在每个网格的中心进行测量；四角布点法的测量放法是在网格的交点处进行测量。
目前在照度测量中普遍采用的方法是使用照度计人工进行逐点测量。由于无法同时对所有测点的照度进行测量，对于要进行多点测量才能获得的整体照明指标，如照度均匀度等，采用传统的人工逐点测量方法无法在动态光环境中得到准确结果。传统的照度测量采用人工单点实测的方式，这种测量方式自动化程度低、测量的范围小，且不便于数据传输与应用。如果对大面积的照度进行测量，传统的照度测量方式需要逐点测量，不但存在测量误差还浪费大量的人力物力。在动态光环境中，照度是实时变化的，传统的照度测量方式已不适用。
无线传输数据的过程中都会存在时延，当进行无线传输时，第一个数据发送成功后，无线传输网络会马上进行信道检测，检测信道是否繁忙。如果信道空闲，会进行第二个数据的发送；如果信道繁忙，则第二个数据则需要等待发送，等信道空闲后再发送，会存在信道堵塞的情况。这是因为各个无线节点之间会存在干扰，影响数据发送的准确性和快速性。
发明内容
本发明可解决现有技术中照度测量无线传输数据的过程中存在时延，各个无线节点之间干扰，影响数据发送的准确性和快速性的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种分布式照度同步测量系统；
S1、建立测量系统
布置照度测量节点：将照明区域划分为矩形网格，采用中心布点法或四角布点法布置若干个所述照度测量节点；
设置协调器节点：所述协调器节点通过PC机的USB接口连接上位机，协调器节点自动建立网络，将所述各照度测量节点加入该网络后，形成分布式照度同步测量系统；
所述若干个照度测量节点加入所述协调器节点建立的网络后，构成了以所述协调器节点为中心的星状拓扑结构，采用一对多的通信模式。
S2、测量过程
所述上位机发送测量指令至所述协调器节点，所述协调器节点形成命令帧发送至所述各照度测量节点，所述各照度测量节点对照度进行同步测量；测量完成后，所述各照度测量节点将测得数据发送给所述协调器节点，所述协调器节点形成数据帧发送至所述上位机；
S3、数据处理
上位机接收所述协调器节点发送的数据帧后，对数据进行存储和分析，显示测量结果。
所述分布式照度同步测量系统系统采用无线网络通过协调器进行组网，照度测量节点加入网络，每个节点都有自己所对应的地址；所述照度测量节点由供电单元，测量单元，处理单元和通信单元组成；所述协调器节点通过串口将数据传送给上位机，上位机对数据进行存储、处理、分析和显示；协调器需要逐个发送命令给测量节点，协调器亦逐个接收各测量节点发回的数据，系统定义了上位机下行发送给照度测量节点的命令帧结构与照度测量节点上行发送给上位机的数据帧结构；节点按照帧编号依次发送数据，上位机处理软件以二维数组的形式组织所有节点测量的数据，其中该数组的第i行第j列的元素为节点i的第j个测量结果。
所述命令帧包含4个字节，第1字节存放帧类型；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，对连续测量模式有效；第4字节为帧结束标志。
所述数据帧包含6个字节，第1字节存放帧类型；第2字节与第3字节存放照度传感器测量结果的高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。
优选方式下，所述供电单元，采用由2节AA电池组成的升压型DC/DC MAX756。所述测量单元由光电传感器组成，环境光传感器内置16位的模数转换器。所述处理单元采用2.4～3.6V低电压STC15L2K60S2单片机。所述通信单元采用无线通信技术，构成以协调器为中心的星状拓扑结构，采用一对多通信模式；所述通信单元由路由器模块组成，在协调器节点的主机模块创建网络后，通信单元的路由器模块加入网络。
本发明能对大面积的多点照度同时测量。克服了传统照度测量只能测量某一点的照度，如果对大面积的照度进行测量时既耗费人力物力又存在误差，分布式照度测量系统中的照度测量节点能对大面积的照度进行同时测量的问题。用户可以控制上位机软件实现瞬时的照度同步测量，节省人力物力，测量准确。本发明系统设计了帧结构，保证了数据以二维数组的方式传输，这种二维数组的数据传输方式保证了信道的畅通，不会存在数据堵塞的情况，数据根据二维数组按照帧编号一个一个的发送，信道不会拥挤，数据会快速地向上传输，保证了数据传输的可靠性和快速性。本发明使用无线传感器网络设计可以分布式照度同步测量系统，不受位置的限制，适用于室内外各种环境的照度测量。命令帧和数据帧分别采用不同的帧格式，可以有效地实现系统的控制和数据的传输。一个协调器节点可以对应着若干个照度测量节点，采用的无线透传方案ZAuZx_T的通信距离为100m，也就是说可以测量以协调器为节点半径为100m圆的范围。利用数据的二维数组方法可以有效地减少命令发送和数据传输的时延来实现同步测量。由于下位机是有上位机软件实时控制的，所以可以进一步地降低功耗，实现低功耗设计。采用的无线透传方案ZAuZx_T没有使用终端设备，而直接使用路由器模块作为通信终端，从而降低了丢包的可能性，提高了系统的可靠性。数据通过测量后进行无线传输，上位机软件迅速的对数据进行存储、处理、分析和显示，提高了工作效率。
附图说明
图1是为分布式照度同步测量系统的系统流程示意图。
图2为分布式照度同步测量系统的系统结构示意图。
图3为分布式照度同步测量系统的照度测量节点流程示意图。
图4为分布式照度同步测量系统的照度测量节点的供电单元示意图。
图5为分布式照度同步测量系统的照度测量节点的处理单元示意图。
图6为分布式照度同步测量系统的照度测量节点的通信单元示意图。
图7为分布式照度同步测量系统的照度测量节点的测量单元示意图。
图8为分布式照度同步测量系统的协调器节点的示意图。
图9为分布式照度同步测量系统的命令帧结构的示意图。
图10为分布式照度同步测量系统的数据帧结构的示意图。
其中：1、照度测量节点；2、协调器节点；3、上位机。
具体实施方式
本发明的通信单元采用无线通信技术，构成以协调器为中心的星状拓扑结构，采用一对多通信模式。协调器需要逐个发送命令给测量节点，存在发送时延。协调器亦逐个接收各测量节点发回的数据，存在接收时延。显然最大发送时延与最大接收时延会随着测量节点数目的增加而增加，但这种毫秒级的时延远小于传统人工测量时用于切换测点，记录数据的时间，以至于可以忽略。接收时延可通过数据帧中的帧编号消除，进一步提高数据的同步性。原理如下：
假设系统有M个测量节点，在连续采集模式下分别发送的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组照度值。i与j都可通过收到的数据帧中的对应字节确定。
上位机的二维数组结构，通过对每列元素的访问，消除接收时延的影响。所述二维数组结构，如下表所示：
如图1-2所示，本发明系统包括：若干个照度测量节点1，一个协调器节点2以及上位机3。照度测量节点的数量由被测面积的大小所决定，做少为1个，最多不超过无线透传方案ZAuZx_T主机模块所建立的网络做大的容量数(约为1000个)，因此完全可以满足任何的测量场所。可以根据国家标准(GB/T5700-2008)的要求或者实际测量的具体要求布置系统，一般将照明区域划分为矩形网格，网格形状以正方形为最宜，采用中心布点法或四角布点法进行测量，布置照度测量节点。照度测量节点通过无线传输与协调器节点通信，协调器节点通过串口与上位机通信。首先用户通过上位机下达指令给协调器节点，协调器节点将命令帧发送给照度测量节点，照度测量节点收到命令帧之后，进行照度测量。照度测量节点完成照度测量之后将数据打包成数据帧发送给协调器节点，协调器节点通过串口发送给上位机，上位机对数据帧进行处理、存储和显示。系统所采用的无线网络通过协调器进行组网，照度测量节点加入网络，每个节点都有自己所对应的地址。无线网络以协调器节点为中心的星型拓扑结构，“一对多”的通信模式。一对多(MTO)模式是为高效便捷达成形如服务器-多传感器终端的一对多采集任务而提供的透传解决方案。当主机模块和路由设备模块都拉高模式设置位，悬空或外部下拉模式设置位时便运行于一对多模式。相同频段，相同网络ID的一个主机和多个路由设备自动组成运行于一对多模式的网络。此时主机从串口接收到的串口数据包会完全透明地传输到所有路由设备并从所有路由设备的串口输出；任意路由设备模块从串口接收到的串口数据包会完全透明地传输到主机并由主机串口输出。
如图3所示，所述下位机包括设置在动态光环境中的若干个照度测量节点和一个协调器节点；所述分布式照度同步测量系统系统采用无线网络通过协调器进行组网，照度测量节点加入网络，每个节点都有自己所对应的地址；所述照度测量节点由供电单元，处理单元，通信单元和测量单元组成；
如图4所示，供电单元由2节AA电池组成，供电单元采用升压型DC/DC MAX756，有利于充分使用电池的能量。MAX756的转换效率最高可达90％，具有电池监控能力，采用3.3V的输出电压为节点供电。
如图5所示，处理单元采用低电压STC15L2K60S2单片机，它集成高精度RC时钟和高可靠复位模块，不需要外部晶振和外部复位，它包含了数据采集和处理所需要的所有单元模块，只需要提供2.4～3.6V的电压就可以使其工作。
如图6所示，通信单元由路由器模块组成，在协调器节点的主机模块创建网络后，通信单元的路由器模块加入网络。一个网络的建立是由主机发起的，因此在任何网络的初始建立阶段都一个主机模块。当主机建立起网络之后，路由设备即可以自由加入网络。路由设备是网络的主干，组网跳传数据信息。
当网络建立起来之后，主机的作用和路由设备完全相同，但在整个网络都断电也就是网络消失之后，仍然需要一个主机设备来初始化网络。一个网络只能有一个主机，可以有多个路由设备。都采用路由设备，这样可以增强网络的可靠性。串口透传解决方案提供完整的组网服务，对外仅是几个IO口与串口的设置，用户仅需选择主机、路由设备的数量，设备将完成自动组网，无需人工干预。
如图7所示，测量单元由光电传感器组成，环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算。这是一种更精良的和容易使用简易电阻器的版本，通过计算电压,来获得有效的数据。环境光传感器能够直接通过光度计来测量。利用它的高分辨率可以探测较大范围(1lx-65535lx)的光强度变化。
协调器节点基于无线透传方案ZAuZx_T的主机模块，负责创建网络，接收由各照度测量节点的数据之后发送给上位机，以便进行后序的数据处理工作。
协调器节点与上位机通过CH340G芯片通信，CH340G是一个USB的转接芯片，实现USB转串口功能，性价比高。
分布式照度测量系统软件部分由Visual Basic语言编写而成，Visual Basic语言是一种由微软公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。Visual Basic语言便于搭建用户界面，便于良好的用户体验。
如图8所示，所述协调器节点通过串口将数据传送给上位机，上位机对数据进行存储、处理、分析和显示；协调器需要逐个发送命令给测量节点，协调器亦逐个接收各测量节点发回的数据，系统定义了上位机下行发送给照度测量节点的命令帧结构与照度测量节点上行发送给上位机的数据帧结构；测量数据以二维数组的方式传输，数据根据二维数组按照帧编号依次发送。
为了传输数据与指令，系统定义了命令帧与数据帧。如图9所示，命令帧是上位机下行发送给照度测量节点的，用于使节点进入相应的工作状态。数据帧是照度测量节点上行发送给上位机的，用于传输照度测量结果。命令帧包含4个字节，第1字节存放帧类型，用于控制测量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。如图10所示，所述数据帧包含6个字节，第1字节存放帧类型，作用与命令帧的相同；第2字节与第3字节存放照度传感器测量结果的高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。
同步测量的分布式照度测量系统的同步性和可靠性是系统实用性的关键。系统采用数据二维数组传输和存储的方法，有效的减少了命令发送和数据传输的时延实现了同步测量。采用的无线透传方案ZAuZx_T并没用使用终端设备，而直接使用路由器设备作为系统的下位机终端，这样可以有效地减少数据丢失的可能性增强网络的可靠性。
本发明的使用方法：
布置照度测量节点。将各照度测量节点放置在被测区域中规划好的测量点位置，可以按照国家标准中规定的测量点布局方法放置照度测量节点，也可以根据实际需要灵活地在需要测量照度的位置放置照度测量节点。
放置协调器节点。，打开上位机软件，将协调器节点通过PC机的USB借口与上位机相连。
建立网络。打开协调器节点开关和照度测量节点开关，此时，协调器节点自动建立网络，照度测量节点自动加入网络，网络建立完成。
测试系统。用户使用测量软件运行网络测试程序，上位机向协调器节点发送测试指令,协调器节点向网络中所有测量节点发送该指令，各个节点收到指令后,将各自的状态信息发送给协调器节点，再由协调器节点发送给上位机，上位机根据接收到的信息显示各个测量节点的状态。
测量数据。系统测试完成后，便可以进行数据的同步测量。用户打开上位机软件，发送单次测量或者连续测量指令，协调器节点通过USB接口收到指令后，然后将命令帧无线传输给各照度测量节点，各照度测量节点收到命令帧之后，识别命令帧执行相应的动作：同步单次测量或同步多次测量。照度测量完成后，照度测量节点将数据发送给协调器节点，协调器节点在发送给上位机软件处理。
数据处理和显示。上位机软件收到数据后，首先会对数据进行存储，然后分析数据，得出测量区域的照度最大值，最小值，平均值等指标，根据相关规定要求判断被测对象是否达到相应的标准。根据各测量点的数据，计算出被测区域的照度分布。测量所得的结果会以曲线的形式形象的显示在上位机软件上，有利于用户直观的比较。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分布式照度同步测量系统，其特征在于：
S1、建立测量系统
布置照度测量节点(1)：将照明区域划分为矩形网格，采用中心布点法或四角布点法布置若干个所述照度测量节点(1)；
设置协调器节点(2)：所述协调器节点(2)通过PC机的USB接口连接上位机(3)，所述协调器节点(2)与所述各照度测量节点(1)间通过无线网络连接，形成分布式照度同步测量系统；
所述若干个照度测量节点(1)加入所述协调器节点(2)建立的网络后，构成了以所述协调器节点(2)为中心的星状拓扑结构；
S2、测量过程
所述上位机(3)发送测量指令至所述协调器节点(2)，所述协调器节点(2)形成命令帧发送至所述各照度测量节点(1)，所述各照度测量节点(1)对照度进行同步测量；测量完成后，所述各照度测量节点(1)将测得数据发送给所述协调器节点(2)，所述协调器节点(2)形成数据帧发送至所述上位机(3)；
S3、数据处理
所述上位机(3)接收所述协调器节点(2)发送的数据帧后，对数据进行存储和分析，显示测量结果。
2.根据权利要求1所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述步骤S2中所述命令帧包含4个字节，第1字节用于存放帧类型；第2字节存放命令码，其中，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；第4字节为帧结束标志；
所述步骤S2中所述数据帧包含6个字节，第1字节用于存放帧类型；第2字节与第3字节存放照度传感器测量结果的高8位与低8位；第4字节为检测节点编号；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字节均为帧结束标志；
所述数据帧以二维数组方式传输，二维数组定义如下：假设系统有M个测量节点，在连续采集模式下，节点按照帧编号依次发送的N组数据可构成一个二维数组L，如下表所示：
所述上位机(1)以二维数组的形式组织所有节点测量的数据，即数组的元素Li,j即为编号为i的节点发送的第j组照度值；其中，i与j都可通过收到的数据帧中的对应字节确定，即数组的行号i、1≤i≤M，与所述数据帧的第4字节节点编号对应，数组的列号j、1≤j≤N，与上述数据帧的第5字节帧编号对应；所述二维数组的第i行第j列的元素即为节点i的第j个测量结果。
3.根据权利要求1所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述中心布点法是在每个网格中心进行测量；所述四角布点法是在网格的交点处进行测量。
4.根据权利要求1或2任一所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述照度测量节点由供电单元、测量单元、处理单元和通信单元组成；
所述供电单元为照度测量节点供电；所述测量单元测量所在区域内的光强度的数据，将测得数据传输至所述处理单元进行处理，经所述处理单元处理后的数据传输至所述通信单元，所述通信单元将经所述处理单元处理后的数据通过无线网络传输至所述协调器节点(2)。
5.根据权利要求3所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述供电单元由升压型DC/DCMAX756和2节AA电池组成，采用3.3V的输出电压为节点供电。
6.根据权利要求3所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述测量单元由光电传感器组成，所述光电传感器内置16位的模数转换器。
7.根据权利要求3所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述处理单元采用低电压STC15L2K60S2单片机，所述低电压STC15L2K60S2单片机集成了高精度RC时钟和高可靠复位模块，工作电压为2.4～3.6V。
8.根据权利要求3所述分布式照度同步测量系统，其特征在于，所述通信单元采用ZigBee无线通信技术加入网络。
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