КР "Радиосистема управления освещением"

 

Необходимо организовать сеть дистанционного управления/мониторинга светодиодных светильников. Терминал должен обеспечивать выполнение следующих команд:

·        включение/выключение светильника,

·        установку дежурного освещения,

·        плавную регулировку яркости любого из имеющегося в сети светильника/группы светильников

 

В обратном направление  терминалом передается:

·        температура излучающей панели,

·         ток потребления лампы.

Исходные данные к проекту:

Максимальное количество светильников в сети: до 16

Радиус зоны обслуживания: 100 м

Модель предсказания потерь: в соответствии с рекомендациями МСЭ

Интерфейс управления яркостью светильника: ШИМ

Тип местности: торговое/выставочное/складское помещение

Вероятность ошибки на бит Pb: 10-4

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

В данной курсовой работе проработаем идею создание сети как целостной системы. Для примера возьмем помещение картинной галереи, в которой содержится  16 светильников, которые работают автономно, способных выполнять функцию освещения без какого-либо управления. Разработаем дополнительную опцию к этой системе- сеть дистанционного управления/мониторинга светодиодных светильников. Пользователь может изменять настройки освещения выбранных светильников с помощью Центрального Терминала, состоящего из определенного ПО, установленного на ПК. ПК содержит в себе WiFi модуль ESP8266, выполняющий функции точки доступа в этой сети. В составе системы имеются виды оборудования, такие как:  Центральный Терминал (ЦТ), через который происходит управление системой освещения; и приборы освещения – светильники, управляемые этим ЦТ.  

 

WiFi модуль ESP8266 это не просто WI-FI модуль, а полноценный 32 битный микроконтроллер со своим набором GPIO, в том числе SPI, UART, I2C. При этом схема модуля состоит из минимального количества деталей: самого чипа ESP8266, flash памяти, кварца. В режиме WI-FI--UART моста модуль не пойдет для создания полноценного веб интерфейса на простейших 8 битных м/к, а только как простейшее управление с помощью небольших TCP пакетов.

Технические характеристики:
Поддерживаемые стандарты WI-FI: 802.11 b / g / n.
Поддерживаемы типы шифрования:WEP, WPA, WPA2.
Поддерживаемые режимы работы: Клиент(STA), Точка доступа(AP), Клиент+Точка доступа(STA+AP).
Напряжение питания 1.7..3.6 В.
Потребляемый ток: до 215мА в зависимости от режима работы.
Количество GPIO: 16 (фактически до 10). Доступно на модулях: ESP-01 - 4, ESP-03 - 7+1, влючая UART. Существуют и другие варианты модулей.
Внешняя Flash память размером 512кб.
RAM данных  80 кб, RAM инструкций - 32 кб.


Рис.1.Внешний вид WiFi модуля ESP8266


Типовые сценарии использования


ESP8266 создан для использования в умных розетках, mesh-сетях, IP-камерах, беспроводных сенсорах, носимой электронике и так далее. Одним словом, ESP8266 появился на свет, чтобы стать мозгом грядущего «Интернета вещей».

Предусмотрено два варианта использования чипа: 1) в виде моста UART-WIFI, когда модуль на базе ESP8266 подключается к существующему решению на базе любого другого микроконтроллера и управляется AT-командами, обеспечивая связь решения с инфраструктурой Wi-Fi; 2) реализуя новое решение, использующее сам чип ESP8266 в качестве управляющего микроконтроллера.

Сценарий использования чипа в качестве управляющего микроконтроллера интересен тем, что позволяет создать устройства, действительно небольшие и реально долго работающие от батарей. Для работы с периферией на борту ESP8266 есть все необходимые возможности.


Ключевые характеристики

Чип ESP8266 является одним из самых высокоинтегрированных решений для работы с WiFi. Внутри чипа уместилась куча всего того, что в конкурирующих решениях часто является частью внешней обвязки:


В итоге типовая обвязка чипа состоит всего из нескольких элементов. Меньше элементов = меньше цена компонентов, меньше стоимость пайки, меньше площадь размещения, меньше стоимость печатной платы. 
Управляет всем этим интегрированным хозяйством расширенная версия 32-битного процессора Tensilica’s L106 Diamond series. Что же интересного внутри?

  • 802.11 b/g/n Wi-Fi прямой (P2P), мягкой AP Wi-Fi, WI-FI серийный 
  • 802.11 b/g/n 
  • Wi-Fi прямой (P2P), мягкой AP 
  • Встроенный TCP/IP стек протокола 
  • Встроенный TR переключатель, балун, LNA, усилитель мощности и соответствующие сети 
  • Встроенный PLL, регулятор напряжения и компонентов управления 
  • 802.11b режиме + 19.5dBm Выходная мощность 
  • Встроенный датчик температуры 
  • Поддерживает антенна разнообразия 
  • Выключения ток утечки Менее чем 10uA 
  • Встроенный низким энергопотреблением 32-разрядный процессор: дважды как процессор приложений 
  • SDIO 2.0, SPI, UART 
  • Stbc, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO 
  • A-mpdu, полимеризации, MSDU и интервал 0.486 S 
  • В течение 2 мс из проснуться, подключения и передачи данных пакеты 
  • В режиме ожидания потребляемая мощность составляет менее чем 1.0 МВт (DTIM3)


Схема подключения очень простая:
Вывод VCC — питание платы (+3.3В);
Вывод GND — общий;
Выводы URXD,UTXD — подключаем к конвертеру USB (в режиме 3.3В)
Вывод CH_PD — подключаем к питанию платы (+3.3В);

Параметры модуля ESP8266:

  • напряжение питания 3,3 В (причем сам то модуль терпит 5 В, но выводы ввода - вывода откажутся работать скорее всего)
  • ток до 215 мА в режиме передачи
  • ток до 62 мА во время приема
  • 802.11 b/g/n протокол
  • +20.5dBm мощность в режиме 802.11b 
  • SDIO (два вывода присутствуют на плате модуля, но ими особо нельзя пользоваться кроме как для служебных операций)
  • режимы сохранения энергии и сна для экономии энергии
  • встроенный микроконтроллер
  • управление по средством AT-команд 
  • температура функционирования от -40 до +125 градусов Цельсия
  • максимальная дистанция связи 100 метров
Модулем можно управлять посредством AT-команд, однако их полный список не известен, самое необходимое представлено ниже:
 # КомандаОписание
 1   

 AT

 Просто тестовая команда, при нормальном состоянии модуль ответит OK
 2 AT+RST

 Перезагрузка модуля, после введения команды выдаст лог перезагрузки в конце и ответ ready 




 3

 AT+CWMODE=<режим>

 Задать режим работы модуля mode: 1 - клиент, 2 - точка доступа, 3 - совмещенный режим, ответ OK 
 4

 AT+CWLAP

 Получить список точек доступа, к которым можно подключиться, ответ список точек и OK



 5

 AT+CWQAP

 Отключиться от точки доступа, ответ OK
 6

 AT+CWSAP=<имя>,<пароль>,<канал>,<шифрование>

 Установить точку доступа самого модуля, задав ее параметры, ответ OK
 7

 AT+CWLIF

 Получить список присоединенных устройств
 

 8

 AT+CIPSTART

 Для одного соединения (+CIPMUX=0):
 AT+CIPSTART=<тип>,<адрес>,<порт>
 Для мульти соединения (+CIPMUX=1):
 AT+CIPSTART=<айди>,<тип>,<адрес>,<порт>

 Соединение TCP/UDP
<айди>— идентификатор соединения
<тип>— тип соединения: TCP или UDP
<адрес>— адрес IP или URL
<порт>— порт
 9

 AT+CIPMODE= <режим>

 Установить режим передачи:

  <режим>= 0 — not data mode (сервер может отправлять данные клиенту и может принимать данные от клиента)
  <режим>= 1 — data mode (сервер не может отправлять данные клиенту, но может принимать данные от клиента)

 10

 AT+CIPSEND

 Для одного соединения (+CIPMUX=0):
 AT+CIPSEND=<длина>
 Для мульти соединения (+CIPMUX=1):
 AT+CIPSTART=<айди>,<длина>

 Отправить данные
 <айди>— идентификатор соединения
 <длина>— количество отправляемых данных
 Передаваемые данные отправляются после ответа модулем символа > , после ввода команды


 11

 AT+CIPMUX= <режим>

 Задать количество соединений,  <режим>=0 для одного соединения,  <режим>=1 для мультипоточного соединения (до четырех подключений)



 12

 AT+CIPSTO=<время>

 Установить время одного соединения на сервере



 13

 Прием информации  

Данные принимаются с преамбулой +IPD, после которой следует информация о принятых данных, а потом сама информация

Для одного соединения (+CIPMUX=0): +IPD,<длинна>:<передаваемая информация>

Для мульти соединения (+CIPMUX=1): +IPD,<айди>,<длинна>:<передаваемая информация>

Пример: +IPD,0,1:x - принят 1 байт информации

  В качестве источника сообщения выступает ПК или другими словами Центральный терминал, передающий на терминал команды управления светильником. Так же источником сообщений может служить Т в случае передачи на ЦТ пакета телеметрии.

 Трафик в системе имеет небольшой объем, т.к. идет передача только сообщений, содержащих номера команд управления или пакеты телеметрических данных.

 

Cхема подключения WiFi модуля ESP8266 к Светильнику:


Рис.2. Cхема подключения WiFi модуля ESP8266 к Светильнику. 

   

Модуль ESP8266 – предназначен для осуществления беспроводной приема/передачи данных от Т к ТД

ИП –источник питания. Предназначена для преобразования входного напряжения, которое необходимо для питания светильников. Для включения WiFi модуля питание подается на вывод CH_PD,который связан с чипом включения, через оптопару. Цепь с оптопарой  использована для ручного включения-выключения каналов ламп светильников выключателем. Переключение каналов происходит при каждом изменении положения выключателя по-кругу. 

Управление мощностью светильника в схеме осуществляется ШИМ-сигналом с ESP модуля, который дёргает оптопару, разряжающую задающий мощность конденсатор до определённого уровня. Данная технология позволяет управлять яркостью свечения с помощью импульсов постоянного тока различной скважности, подающихся на светодиод с высокой частотой. Фактически, светодиоды очень быстро включаются и выключаются согласно заданной программе, что визуально воспринимается как изменение яркости свечения светодиодов.При одновременном свечении светодиодов разные цвета смешиваются, в результате чего получается новый цвет. 

При этом на сигнал управления накладываются следующие ограничения:

·        амплитуда сигнала управления должна быть не более 10 В,

·        частота управляющего сигнала выбирается из диапазона 100 Гц…3 кГц,

·        длительность импульса управления должна быть не меньше 10% от периода следования импульсов.

    


 

Рис.3. Регулировочная характеристика источника питания с ШИМ-управлением


Подключение модуля ESP8266 к ПК:


Рис.4. Подключение модуля ESP8266 к ПК


ИП-источник питания, предназначен для преобразования входного напряжения в необходимое для питания модуля ESP8266, источник питания подключается через оптопару, которая предохраняет модуль от возможного скачка напряжения.

USB-TTL контроллер, предназначен для подключения модуля к ПК.

ПК-персональный компьютер предназначен для первоначальной настройки модуля ESP8266.

Возможно 2 варианта использования модуля:
1. Использование в качестве TCP-клиента.

2. Использование в качестве TCP-сервер.

На плате ESP-01 можно запустить TCP-сервер для приема-отправки данных или она может выступать TCP-клиентом для приема-отправки данных на сервер.
Для запуска TCP-сервера выполним следующие команды:

1. Устанавливаем режим передачи командой

AT+CIPMODE=<mode>

mode = 0 — not data mode (сервер может отправлять данные клиенту и может принимать данные от клиента)
mode = 1 — data mode (сервер не может отправлять данные клиенту, но может принимать данные от клиента)

2. Устанавливаем возможность множественных соединений:

AT+CIPMUX=<mode>

mode 0 — single connection
mode 1 — multiple connection 

3. Запускаем сервер на порту 8888:

AT+CIPSERVER= <mode>[,<port>]

mode 0 — to close server
mode 1 — to open server

4.Отправляем данные с ESP-01 на ПК
Для режима Single connection (+CIPMUX=0) отправка идет так:

AT+CIPSEND=<length>

Для режима Multiple connection (+CIPMUX=1) отправка идет так:

AT+CIPSEND=<id>,<length>

После выполнения AT+CIPSEND нужно ввести текст, завершение ввода и отправка осуществляется по Enter.

Настройка режима TCP-клиента

1.Устанавливаем режим передачи командой

AT+CIPMODE=<mode>

mode = 0 — not data mode (клиент может отправлять данные серверу и может принимать данные от сервера)
mode = 1 — data mode (клиент не может отправлять данные серверу, но может принимать данные от сервера)

2. Режим соединений ставим Multiple connection: AT+CIPMUX=1
3. На ПК в SocketTest запускаем сервер на порту 8888
4. Запускаем клиента на ESP-01
Для режима Single connection (+CIPMUX=0) формат такой

AT+CIPSTART=<type>,<addr>,<port>

Для режима Multiple connection (+CIPMUX=1) формат такой

AT+CIPSTART=<id><type>,<addr>,<port>
5. Отправляем данные с ESP-01 на ПК
Для режима Single connection (+CIPMUX=0) отправка идет так:
AT+CIPSEND=<length>
Для режима Multiple connection (+CIPMUX=1) отправка идет так:
AT+CIPSEND=<id>,<length>
После выполнения AT+CIPSEND нужно ввести текст, завершение ввода и отправка осуществляется по Enter.

  ПП - программа пользователя,заложена на ПК. Предназначена для графическое отображение сведений о светильниках, и средство управления системой пользователем.

Для реализации взаимодействия  ТД и Т необходим сценарий, которому будет следовать ТД в различных ситуациях. Этот сценарий будет расположен в модуле управления. Так же в МУ присутствует информационная система, в которой хранятся различные журналы с данными. ИС  содержит:

- ID T.  Журнал идентификаторов всех Т, которые могут управляться дистанционно. Наличие данного журнала необходимо с целью адресной и групповой доставки сообщений.

- Память данных. Здесь хранится журнал данных телеметрии, которая передается от Т к  ТД. (температура излучающей панели и источника питания, ток потребления лампы и ID Т). Данный журнал может вместить в себя данные со всех терминалов за определенный промежуток времени, выбранный пользователем.

 Проработаем способа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: событие - сообщения для передачи - инициатор сеанса связи – запрос/захват канального ресурса - доставка сообщения (сеть) - получатель сообщения.

В зависимости от события пользователь может выбрать все светильники, группу светильников или определенное устройство освещения. Тогда сообщение для передачи терминалу  будут содержать команды управления освещением, имеющий адресный, групповой или широковещательный характер. В ПО формируется сообщение содержащее адрес, номер команды, которую выбрал пользователь для светильника. Это сообщение необходимо передать выбранным терминалам. С ТД на выбранные Т отправляется уведомление о наличии команды для исполнения и запрос о готовности её принять. Терминал не все время находится в режиме ожидания команд. 

При доставке сообщений в передающемся пакете будет указываться тип адресации:

·        Если команда предназначена конкретному светильнику, то в поле «Тип адресации» будет указано значение «А»-адресное сообщение. Это свидетельствует о том, что команда предназначена конкретному светильнику.  А в поле «Адрес» будет указываться ID терминала.

·        Если команда предназначена для группы светильников, то в поле «Тип адресации» будет указано значение «G», что соответствует групповой адресации. Сведения о том какие светильники объединены в группы содержатся в ПО, а так же ID все входящих в группу светильников. А в поле «Адрес» будет содержаться адрес всей группы.

·        Если команда предназначена для всех светильников, то поле «Адреса» будет отсутствовать, а в поле «Тип адресации» будет указано значение «В», что соответствует широковещательной адресации.

Список используемой литературы:

1.     http://omoled.ru/publications/view/461

2.     http://homes-smart.ru/index.php/oborudovanie/bez-provodov-wi-fi/sverkhdeshevyj-wi-fi-modul-esp8266

3.     http://www.svyazexport.com/catalog/lighting.php

4.     http://www.russianelectronics.ru/engineer-r/review/2195/doc/53572/ 

    http://geektimes.ru/post/241054/ 

http://prosto-wlan.blogspot.ru/2015/02/wifi-esp8266.html 

 http://www.terenceang.com/archives/31