基于物聯網技術的建筑照明智能無線控制系統

聶章龍

（常州信息職業技術學院江蘇常州213164）

隨著中國經濟的高速增長，直接帶動了中國建筑業的迅猛發展，由此帶動建筑照明（LED）、建筑電氣市場巨大需求，并以每年30%的速度增長，同時，在倡導低碳經濟和節能減排趨勢下，為建筑照明（LED）、建筑電氣產品和技術提供了廣闊的市場機遇，可以說，中國建筑照明（LED）暨、建筑電氣產業發展處于歷史最好時期。據資料統計，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服務器通過物聯網控制到建筑物內的單燈和自動檢測到單燈故障。針對這種狀況，本文充分研究并融合傳感網技術、電信網技術、互聯網技術應用于建筑照明的智能化與精細化節能管理控制，從根本上解決傳統建筑照明的燈檢、單燈控制、節能、信息跟蹤等問題，是現代建筑照明的根本解決方案。

1 系統功能設計

本系統按照分層軟、硬件設計思想，設計出“終端層—電控柜主節點層—服務器層”的3層結構，采用GPRS技術實現服務器層與電控柜主節點層之間的通信，采用ZigBee技術通過自主研發的網絡編址和通信協議實現電控柜主節點層與終端層之間的通信，從而實現利用一臺計算機控制到樓宇或整座建筑單燈的夢想，系統的整體架構圖如圖1所示。系統在有效網絡編址基礎上，提供1/2、1/3等控制模式和按地球經緯度控制模式，實現了節能。

1.1 終端層設計

1）終端層硬件設計

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標準的MC13213作為主控芯片[1]。ZIGBEE照明燈終端控制器的硬件設計主要包括：MC13213主控器最小系統、天線系統、采集系統、控制系統、電源系統的設計。MC13213最小系統原理圖如圖2所示。

2）終端層軟件設計

ZigBee照明終端控制器的主要功能有：接收高端發送的不同方式的控制命令，控制照明燈實現降功率功能；采集照明燈工作電壓電流狀態并上傳，供高端查看決策用。為了實現照明智能“三遙”（遙控、遙測、遙信），需要制定出合理有效的通信協議，本系統通過自主研發的SDWSN-IP4無線傳感器網絡協議并能夠根據不斷改變的網絡現狀進行動態拓撲[2]，對同一網段內命令進行存儲轉發，維持整個網絡的有效通信。

圖1 建筑照明智能無線控制系統架構圖Fig.1 Intelligent wireless control system for building lighting

圖2 MC13213最小系統原理Fig.2 Minimum system principle of the MC13213

SDWSN-IP4無線傳感器網絡協議采用類似于以太網中IP4地址的編址機制，使用32位（4字節）確定一個無線傳感器節點的地址。其中，一些位可以用于網段、類型、組等定義，以便為網段、類型、組的整體命令提供地址機制。網絡節點是SDWSN-IP4無線傳感器網絡中的最小控制單元，可以接收并執行相應的控制命令，也可返回自身狀態。網絡節點編址機制如表1所示。

1）網絡節點編址機制

表1 無線傳感器網絡協議—網絡節點編址機制Tab.1 Wireless sensor network protocols-network node addressing mechanism

2）幀格式

為了網絡數據幀的更容易控制和編碼解碼的方便，將數據幀定義為定長，這樣在功能完全實現的基礎上，程序和協議的設計都會變的很簡單。自主研發的協議規定一個數據幀的長度固定為11個字節，數據幀包括兩種類型的幀：命令幀和狀態幀。命令幀主要是將命令字段定義在幀中，傳輸到相對應的網絡節點，相關的網絡節點執行命令。命令包括全網絡的命令和單個網絡節點的命令，全網絡的命令表示該命令網絡的所有或多個節點都要執行，單個網絡節點命令表示命令只是針對單個網絡節點的。為確?？刂频挠行?，需要加上狀態幀來及時取得照明燈的狀態進行查看。狀態幀中包含單個網絡節點的狀態參數。

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：在同一網絡中，數據的轉發規則是：收到一個新的幀后轉發一次，如果立刻又收到這個幀則不進行轉發。自主研發的網絡采用的是幀號機制。高端提供的數據幀中包含一個幀號字段，唯一的標志了一個幀，并給幀號提供了位示圖的標志置位機制。一個位代表一個幀號，置位該位即表示已轉發過。

②網絡節點地址：表2所示的4個字節。

③命令字節：命令字節用于表示執行的命令類型，這是自定義的。

④控制字節：照明燈控制時所需的其他的參數，如節能控制方式等。

1.2 電控柜主節點層設計

1）電控柜硬件設計

電控柜主節點層的硬件主要是由GPRS-ZIGBEE路由器構成，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測。SPI、IIC接口便于擴展，使得硬件具有靈活性和可擴展性。MC13213照明燈網絡主控節點將照明燈網絡的數據信息傳輸到數據收發處理模塊，該模塊以32位ColdFire系列芯片MCF52223為核心[3]，對數據處理后封幀，然后通過3G/2.5G發送到服務器層。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路由器硬件總體設計Fig.3 The hardware design of GPRS-ZIGBEE router

2）電控柜軟件設計

GPRS-ZIGBEE路由器主要包括兩個部分的MCU方軟件設計：MC13213照明燈網絡主控節點設計和數據收發處理模塊設計。

①MC13213照明燈網絡主控節點的軟件設計

在設計時，我們采用面向硬件對象和程序模塊化封裝的設計思想，對軟件的工程文件進行組織，將與硬件相關的驅動程序和上層功能性程序分割開來。對各功能模塊中文件的劃分同樣充分遵循了面向硬件對象和模塊化劃分的思想，極大地提高軟件的通用性和可復用性。主控節點的工程設計與ZIGBEE照明燈終端控制器軟件設計基本相同，這里不再贅述。

②數據收發處理模塊的軟件設計

該模塊主要功能是接收MC13213照明燈網絡主控節點傳輸的數據，然后通過3G或2.5G模塊發送到Internet上監控中心的服務器[4]。所以該模塊作為一個網關，是照明燈無線傳感網絡和Internet的接口。無線收發數據的主要程序代碼如下所示[5]：

/*==========函數功能:發送數據函數===========*/

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

{

UINT8 i，u8Status，tempdata[128]；

TxPacket tempTxPacket；//定義發送的數據包

RFRXDisableRequest（pRTxMode）；

/*1.設置數據長度和存儲位置*/

tempTxPacket.m_u8DataLength=len；

tempTxPacket.m_pu8Data=tempdata；

/*2.設置數據包的數據*/

f

or（i=0；i＜len；i++）

tempTxPacket.m_pu8Data[i]=data[i]；

/*3.發送數據包*/

u8Status=RFPDDataRequest（&tempTxPacket，pRTxMode）；//將封裝好的數據包發送出去

RFRXEnable（pRTxMode）；

return u8Status；

}

/*========函數功能:接收數據函數=========*/

{

UINT8 u8DataLength=0；//RX包的數據長度

UINT8 nLogicState=（*nStatusContent）&RX_IRQ_MASK；

if（nLogicState!=0）

{

MC13192_RTXEN=0；//MC13192 RTXEN管腳設置無效

nLogicState=（*nStatusContent）&CRC_VALID_MASK；//判斷數據的有效性

if（nLogicState==0）//如果是無效的CRC，重新使能接收器

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

else//CRC校驗正確

{

u8DataLength=（UINT8）（SPIDrvRead（RX_PKT_LEN）&0x7F）；//讀取接收到數據的長度

if（u8DataLength＜RXTX_MIN_LEN）//判斷數據的長度是否有效

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

（*pRTxMode）=IDLE_MODE；//恢復到idle模式

rxPacket-＞m_u8DataLength=u8DataLength；//讀取有效數據

rxPacket-＞m_u8Status=SUCCESS；

（void）RAMDrvReadRx（rxPacket）；

EnableInterrupt（）；

（*nStatusContent）=0；

return 1；

}

}

}

1.3 服務器層設計

服務器層的設計主要是指城市建筑照明控制系統軟件的設計，該軟件基于Windows 2003平臺，以大型商用數據庫SQL Server2005為基礎，采用B/S模式。我們將其設計為兩個部分，即通信軟件部分和管理軟件部分，兩者之間通過實時數據庫進行通信。

通信軟件通過和GPRS/WCDMA的通信來負責獲取取數據庫中的還未處理的控制指令或將狀態信息指令放入到數據庫。該軟件使用多線程的異步Socket機制，使得多個樓端通信裝置可以和服務器的同一個端口通信，此時通信軟件只需要維護一張哈希表，記錄樓端通信裝置（TCP客戶端）和它對應的Socket句柄。減少了開發的復雜度，同時也提高了穩定性。管理軟件主要負責管理數據庫和將控制指令放入數據庫，通過數據庫和通信軟件進行數據傳輸。為了更好的發揮系統的節能功能，在進行管理軟件設計時，積極響應國家節能減排的政策，通過市場調研，挖掘城市建筑照明中的節能潛力，提出多種節能控制模式[5]，以下簡單列舉幾種。

1）1/2、1/3等控制模式

本系統已經實現單燈控制，在業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，又能達到節能的目的。

2）按地球經緯度控制模式

由于地球經緯度的差異，使得各地的日出日落時間不一樣，同一地方不同季節的日出日落時間也不一樣。如果統一設定開關燈時間，既浪費能源，又不能達到很好的控制效果。比如說，某市一月中旬的日出時間為07:21:00，日落時間為17:33:00，而七月中旬的日出時間為05:28:00，日落時間為19:28:00。如果統一設定開燈時間為17:30:00，那么到七月份，就會造成很大的資源浪費?；谶@種情況，本文提出了按日出日落時間自動調整開關燈時間。將當地的日出日落時間表導入系統，設置開關燈偏移時間。這樣隨著季節的變動，開關燈時間會自動的隨日出日落時間的變化而變化。開燈偏移量與日落時間決定了開燈時間，即開燈時間=日落時間+開燈偏移量；關燈偏移量與日出時間決定了關燈時間，即關燈時間=日出時間+關燈偏移量。

2 結論

系統完備功能的實現靠的是可靠穩定的硬件、考慮周全的軟件協議和良好的架構思想。本系統按照分層軟硬件設計思想，采用終端層、電控柜主節點層和服務器層的3層工作結構進行設計，將ZigBee技術[7]、2.5G/3G通信技術與Internet Web技術可靠的融合到整個系統開發過程，從而達到對城市建筑照明的“面—線—點”的智能化節能控制。系統具有以下幾個特色和創新點：

1）系統實現了專用傳感網、電信網及互聯網的可靠融合應用；

2）自主設計硬件體系：采用Freescale公司的ZigBee無線射頻芯片MC13213設計無線傳感網通信模塊，主要用于解決智能建筑終端設備的數據采集問題；

3）提出了適用于照明燈具控制的ZigBee網絡編址算法及路由協議，使得分散的照明燈構成一個自適應動態拓撲的無線傳感網絡，組網方式靈活，便于移植。

[1] Freescale Semiconductor，Inc.Document Number:MC1321x RMRev.1.3，2008，4[3].

[2] 劉廣林，汪秉文，唐旋來.基于Zi gBee無線傳感器網絡的農業環境監測系統設計[J].計算機與數字工程，2010（10）:57-60.LIU Guang-lin，WANG Bing-wen，TANG Xuan-lai.Design of ZigBee wireless sensor networks in monitoring system of agriculture environment[J].Computer&Digital Engineering，2010（10）:57-60.

[3] Freescale Semiconductor，Inc.Document Number:MCF 52223RMRe-v.3，2007，4[Z].

[4] 張俊華.基于GPRS和Zigbee的無線智能路燈控制系統設計[J].計算機光盤軟件與應用，2012（7）:200-201.ZHANG Jun-hua.Design the wireless intelligent street light control system based on GPRS and Zigbee[J].Computer CD Software and Applications，2012（7）:200-201.

[5] 宋紹劍，薛春偉.基于Zigbee的城市路燈智能監控終端控制器設計[J].照明工程學報，2011（4）:26-30.SONG Shao-jian，XUE Chun-wei.Design for city street lamp intelligent monitoring terminal controller based on zigbee[J].China Illuminating Engineering Journal，2011（4）:26-30.

[6] 胡開明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節能控制器的設計與實現[J].現代電子技術，2009（9）:143-145.HU Kai-ming，LI Yue-zhong，LU Wei-hua.Design and realization of intelligent energy-saving streetlights controller[J].Modern Electronics Technique，2009（9）:143-145.

[7] 萬磊，章勇，李劍.基于ZigBee無線傳感器網絡的智能家居設計[J].電子科技，2012（2）:116-119.WAN Lei，ZHANG Yong.Research on and implementation of intelligent home based on ZigBee wireless sensor network[J].Electronic Science and Technology，2012（2）:116-119.