基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑照明智能無(wú)線控制系統(tǒng)

聶章龍

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇常州213164）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，直接帶動(dòng)了中國(guó)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，由此帶動(dòng)建筑照明（LED）、建筑電氣市場(chǎng)巨大需求，并以每年30%的速度增長(zhǎng)，同時(shí)，在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排趨勢(shì)下，為建筑照明（LED）、建筑電氣產(chǎn)品和技術(shù)提供了廣闊的市場(chǎng)機(jī)遇，可以說(shuō)，中國(guó)建筑照明（LED）暨、建筑電氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于歷史最好時(shí)期。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2009年江蘇省的城市照明的投入在5億人民幣以上，其中控制器部分在1億人民幣以上。目前在建筑照明中很少能由一臺(tái)服務(wù)器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)控制到建筑物內(nèi)的單燈和自動(dòng)檢測(cè)到單燈故障。針對(duì)這種狀況，本文充分研究并融合傳感網(wǎng)技術(shù)、電信網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑照明的智能化與精細(xì)化節(jié)能管理控制，從根本上解決傳統(tǒng)建筑照明的燈檢、單燈控制、節(jié)能、信息跟蹤等問(wèn)題，是現(xiàn)代建筑照明的根本解決方案。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照分層軟、硬件設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出“終端層—電控柜主節(jié)點(diǎn)層—服務(wù)器層”的3層結(jié)構(gòu)，采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器層與電控柜主節(jié)點(diǎn)層之間的通信，采用ZigBee技術(shù)通過(guò)自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)編址和通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)電控柜主節(jié)點(diǎn)層與終端層之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制到樓宇或整座建筑單燈的夢(mèng)想，系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)在有效網(wǎng)絡(luò)編址基礎(chǔ)上，提供1/2、1/3等控制模式和按地球經(jīng)緯度控制模式，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

1.1 終端層設(shè)計(jì)

1）終端層硬件設(shè)計(jì)

終端層的硬件部分主要由ZigBee照明終端控制器組成，ZigBee照明終端控制器選用飛思卡爾公司的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MC13213作為主控芯片[1]。ZIGBEE照明燈終端控制器的硬件設(shè)計(jì)主要包括：MC13213主控器最小系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MC13213最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2）終端層軟件設(shè)計(jì)

ZigBee照明終端控制器的主要功能有：接收高端發(fā)送的不同方式的控制命令，控制照明燈實(shí)現(xiàn)降功率功能；采集照明燈工作電壓電流狀態(tài)并上傳，供高端查看決策用。為了實(shí)現(xiàn)照明智能“三遙”（遙控、遙測(cè)、遙信），需要制定出合理有效的通信協(xié)議，本系統(tǒng)通過(guò)自主研發(fā)的SDWSN-IP4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并能夠根據(jù)不斷改變的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)拓?fù)鋄2]，對(duì)同一網(wǎng)段內(nèi)命令進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效通信。

圖1 建筑照明智能無(wú)線控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent wireless control system for building lighting

圖2 MC13213最小系統(tǒng)原理Fig.2 Minimum system principle of the MC13213

SDWSN-IP4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用類(lèi)似于以太網(wǎng)中IP4地址的編址機(jī)制，使用32位（4字節(jié)）確定一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的地址。其中，一些位可以用于網(wǎng)段、類(lèi)型、組等定義，以便為網(wǎng)段、類(lèi)型、組的整體命令提供地址機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是SDWSN-IP4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最小控制單元，可以接收并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，也可返回自身狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編址機(jī)制如表1所示。

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編址機(jī)制

表1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議—網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編址機(jī)制Tab.1 Wireless sensor network protocols-network node addressing mechanism

2）幀格式

為了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的更容易控制和編碼解碼的方便，將數(shù)據(jù)幀定義為定長(zhǎng)，這樣在功能完全實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，程序和協(xié)議的設(shè)計(jì)都會(huì)變的很簡(jiǎn)單。自主研發(fā)的協(xié)議規(guī)定一個(gè)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度固定為11個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)幀包括兩種類(lèi)型的幀：命令幀和狀態(tài)幀。命令幀主要是將命令字段定義在幀中，傳輸?shù)较鄬?duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令。命令包括全網(wǎng)絡(luò)的命令和單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命令，全網(wǎng)絡(luò)的命令表示該命令網(wǎng)絡(luò)的所有或多個(gè)節(jié)點(diǎn)都要執(zhí)行，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)命令表示命令只是針對(duì)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的。為確保控制的有效性，需要加上狀態(tài)幀來(lái)及時(shí)取得照明燈的狀態(tài)進(jìn)行查看。狀態(tài)幀中包含單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。

命令幀的格式如表2所示。

表2 命令幀的格式Tab.2 Format of the comm and frame

①幀號(hào)：在同一網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則是：收到一個(gè)新的幀后轉(zhuǎn)發(fā)一次，如果立刻又收到這個(gè)幀則不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)采用的是幀號(hào)機(jī)制。高端提供的數(shù)據(jù)幀中包含一個(gè)幀號(hào)字段，唯一的標(biāo)志了一個(gè)幀，并給幀號(hào)提供了位示圖的標(biāo)志置位機(jī)制。一個(gè)位代表一個(gè)幀號(hào)，置位該位即表示已轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)。

②網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址：表2所示的4個(gè)字節(jié)。

③命令字節(jié)：命令字節(jié)用于表示執(zhí)行的命令類(lèi)型，這是自定義的。

④控制字節(jié)：照明燈控制時(shí)所需的其他的參數(shù)，如節(jié)能控制方式等。

1.2 電控柜主節(jié)點(diǎn)層設(shè)計(jì)

1）電控柜硬件設(shè)計(jì)

電控柜主節(jié)點(diǎn)層的硬件主要是由GPRS-ZIGBEE路由器構(gòu)成，其硬件總體框圖如圖3所示。其中AD模塊和繼電器模塊用于路端控制箱的控制和監(jiān)測(cè)。SPI、IIC接口便于擴(kuò)展，使得硬件具有靈活性和可擴(kuò)展性。MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)將照明燈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收發(fā)處理模塊，該模塊以32位ColdFire系列芯片MCF52223為核心[3]，對(duì)數(shù)據(jù)處理后封幀，然后通過(guò)3G/2.5G發(fā)送到服務(wù)器層。3G模塊使用華為公司的WCDMA模塊EM770W，2.5G模塊使用華為公司的GPRS模塊EM310。

圖3 GPRS-ZIGBEE路由器硬件總體設(shè)計(jì)Fig.3 The hardware design of GPRS-ZIGBEE router

2）電控柜軟件設(shè)計(jì)

GPRS-ZIGBEE路由器主要包括兩個(gè)部分的MCU方軟件設(shè)計(jì)：MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊設(shè)計(jì)。

①M(fèi)C13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)，我們采用面向硬件對(duì)象和程序模塊化封裝的設(shè)計(jì)思想，對(duì)軟件的工程文件進(jìn)行組織，將與硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序和上層功能性程序分割開(kāi)來(lái)。對(duì)各功能模塊中文件的劃分同樣充分遵循了面向硬件對(duì)象和模塊化劃分的思想，極大地提高軟件的通用性和可復(fù)用性。主控節(jié)點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)與ZIGBEE照明燈終端控制器軟件設(shè)計(jì)基本相同，這里不再贅述。

②數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊的軟件設(shè)計(jì)

該模塊主要功能是接收MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過(guò)3G或2.5G模塊發(fā)送到Internet上監(jiān)控中心的服務(wù)器[4]。所以該模塊作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，是照明燈無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和Internet的接口。無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的主要程序代碼如下所示[5]：

/*==========函數(shù)功能:發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)===========*/

UINT8 RFSendData（UINT8*data，UINT8 len，UINT8*pRTxMode）

{

UINT8 i，u8Status，tempdata[128]；

TxPacket tempTxPacket；//定義發(fā)送的數(shù)據(jù)包

RFRXDisableRequest（pRTxMode）；

/*1.設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和存儲(chǔ)位置*/

tempTxPacket.m_u8DataLength=len；

tempTxPacket.m_pu8Data=tempdata；

/*2.設(shè)置數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)*/

f

or（i=0；i＜len；i++）

tempTxPacket.m_pu8Data[i]=data[i]；

/*3.發(fā)送數(shù)據(jù)包*/

u8Status=RFPDDataRequest（&tempTxPacket，pRTxMode）；//將封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去

RFRXEnable（pRTxMode）；

return u8Status；

}

/*========函數(shù)功能:接收數(shù)據(jù)函數(shù)=========*/

{

UINT8 u8DataLength=0；//RX包的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

UINT8 nLogicState=（*nStatusContent）&RX_IRQ_MASK；

if（nLogicState!=0）

{

MC13192_RTXEN=0；//MC13192 RTXEN管腳設(shè)置無(wú)效

nLogicState=（*nStatusContent）&CRC_VALID_MASK；//判斷數(shù)據(jù)的有效性

if（nLogicState==0）//如果是無(wú)效的CRC，重新使能接收器

{

（*nStatusContent）=（SPIDrvRead（MODE_ADDR）&0xFF7F）；

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

else//CRC校驗(yàn)正確

{

u8DataLength=（UINT8）（SPIDrvRead（RX_PKT_LEN）&0x7F）；//讀取接收到數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

if（u8DataLength＜RXTX_MIN_LEN）//判斷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度是否有效

{

（*nStatusContent）=（SPIDrvRead（MODE_ADDR）&0xFF7F）；

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

（*pRTxMode）=IDLE_MODE；//恢復(fù)到idle模式

rxPacket-＞m_u8DataLength=u8DataLength；//讀取有效數(shù)據(jù)

rxPacket-＞m_u8Status=SUCCESS；

（void）RAMDrvReadRx（rxPacket）；

EnableInterrupt（）；

（*nStatusContent）=0；

return 1；

}

}

}

1.3 服務(wù)器層設(shè)計(jì)

服務(wù)器層的設(shè)計(jì)主要是指城市建筑照明控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，該軟件基于Windows 2003平臺(tái)，以大型商用數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server2005為基礎(chǔ)，采用B/S模式。我們將其設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分，即通信軟件部分和管理軟件部分，兩者之間通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信。

通信軟件通過(guò)和GPRS/WCDMA的通信來(lái)負(fù)責(zé)獲取取數(shù)據(jù)庫(kù)中的還未處理的控制指令或?qū)顟B(tài)信息指令放入到數(shù)據(jù)庫(kù)。該軟件使用多線程的異步Socket機(jī)制，使得多個(gè)樓端通信裝置可以和服務(wù)器的同一個(gè)端口通信，此時(shí)通信軟件只需要維護(hù)一張哈希表，記錄樓端通信裝置（TCP客戶(hù)端）和它對(duì)應(yīng)的Socket句柄。減少了開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，同時(shí)也提高了穩(wěn)定性。管理軟件主要負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫(kù)和將控制指令放入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和通信軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了更好的發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能功能，在進(jìn)行管理軟件設(shè)計(jì)時(shí)，積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，挖掘城市建筑照明中的節(jié)能潛力，提出多種節(jié)能控制模式[5]，以下簡(jiǎn)單列舉幾種。

1）1/2、1/3等控制模式

本系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單燈控制，在業(yè)主和客人不太多的情況下，可以采用隔一盞、隔兩盞亮燈的模式。這樣，既能滿足地面基本光照，又能達(dá)到節(jié)能的目的。

2）按地球經(jīng)緯度控制模式

由于地球經(jīng)緯度的差異，使得各地的日出日落時(shí)間不一樣，同一地方不同季節(jié)的日出日落時(shí)間也不一樣。如果統(tǒng)一設(shè)定開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，既浪費(fèi)能源，又不能達(dá)到很好的控制效果。比如說(shuō)，某市一月中旬的日出時(shí)間為07:21:00，日落時(shí)間為17:33:00，而七月中旬的日出時(shí)間為05:28:00，日落時(shí)間為19:28:00。如果統(tǒng)一設(shè)定開(kāi)燈時(shí)間為17:30:00，那么到七月份，就會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)。基于這種情況，本文提出了按日出日落時(shí)間自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。將當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r(shí)間表導(dǎo)入系統(tǒng)，設(shè)置開(kāi)關(guān)燈偏移時(shí)間。這樣隨著季節(jié)的變動(dòng)，開(kāi)關(guān)燈時(shí)間會(huì)自動(dòng)的隨日出日落時(shí)間的變化而變化。開(kāi)燈偏移量與日落時(shí)間決定了開(kāi)燈時(shí)間，即開(kāi)燈時(shí)間=日落時(shí)間+開(kāi)燈偏移量；關(guān)燈偏移量與日出時(shí)間決定了關(guān)燈時(shí)間，即關(guān)燈時(shí)間=日出時(shí)間+關(guān)燈偏移量。

2 結(jié)論

系統(tǒng)完備功能的實(shí)現(xiàn)靠的是可靠穩(wěn)定的硬件、考慮周全的軟件協(xié)議和良好的架構(gòu)思想。本系統(tǒng)按照分層軟硬件設(shè)計(jì)思想，采用終端層、電控柜主節(jié)點(diǎn)層和服務(wù)器層的3層工作結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將ZigBee技術(shù)[7]、2.5G/3G通信技術(shù)與Internet Web技術(shù)可靠的融合到整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，從而達(dá)到對(duì)城市建筑照明的“面—線—點(diǎn)”的智能化節(jié)能控制。系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特色和創(chuàng)新點(diǎn)：

1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)用傳感網(wǎng)、電信網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的可靠融合應(yīng)用；

2）自主設(shè)計(jì)硬件體系：采用Freescale公司的ZigBee無(wú)線射頻芯片MC13213設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)通信模塊，主要用于解決智能建筑終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題；

3）提出了適用于照明燈具控制的ZigBee網(wǎng)絡(luò)編址算法及路由協(xié)議，使得分散的照明燈構(gòu)成一個(gè)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞臒o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式靈活，便于移植。

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