可見光通信技術在智能工業照明中的應用研究

牛衍方,孫德棟,龔桃榮,辛 軍

(1.北京申安投資集團有限公司，北京 102602；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100031；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；4.國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 450052)

可見光通信技術在智能工業照明中的應用研究

牛衍方1,孫德棟2,龔桃榮3,辛 軍4

(1.北京申安投資集團有限公司，北京 102602；2.國網信息通信產業集團有限公司，北京 100031；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；4.國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 450052)

我們提出一種基于可見光通信技術的智能照明控制系統，基于可見光通信的技術優勢我們將其應用于智能工業照明領域。在智能工業照明應用中，該系統既可以實現照明設備的節能管理，又可利用該智能照明控制系統與虛擬現實(VR)技術結合實現智能倉儲中物品信息定位、自動化流水線上檢測結果分析，這滿足“工業4.0”對智慧工廠信息化、人性化建設需求。

智能照明；控制系統；可見光通信；工業4.0； VR

引言

隨著LED照明產品在工業照明領域的應用，人們對智能工業照明提出了新要求。“工業4.0”是對生產制造業的全面數字化、智慧化升級，同時也對信息技術應用提出更高的要求，最終達到快速、有效、人性化體驗的產品供應。本文依據現有技術發展狀況，提出基于可見光通信的智能照明系統，不但能滿足人們對工廠內大功率照明設備的合理有效分配進而實現平臺化節能管理，還能夠為部分區域進行信息化管理升級[1]。

而本文主要著重講述可見光通信技術在智能工業照明應用中的探索與研究。基于白光LED 的可見光通信技術提供一種全新的數據通信方式，具有多領域，多場景，多行業的應用發展前景。

1 可見光通信技術特點

可見光通信是照明與通信的深度融合。具有以下特點：①頻譜較寬，免頻譜許可授權。可見光波長380～780 nm即具有405THz的巨大帶寬，是整個無線頻譜的10 000倍。②無電磁干擾，抗干擾性強。可用于機艙、醫院、核電站等對電磁干擾比較敏感或受電磁干擾嚴重的地方的無線接入。③發射功率高，通信速率快。白光LED在通信方面突出優點是響應時間非常短，因此可以用LED進行超高速數據通信。

不同的無線通信技術各有其自身優勢及最佳應用領域：BLE屬于近距離無線通信技術，被廣泛應用于手機、耳機、筆記本、穿戴式設備；Wifi非常適合大數據量的傳輸，可使電腦、平板、筆記本、手機等直接通信；ZigBee當前主要被用在近距離智能抄表及家用智能開關上。這幾種無線通信協議設備與可見光通信相比，功能單一、受環境干擾、穩定性、保密性不具有優勢，而可見光通信的缺點也非常明顯：不能穿透障礙物而受到阻擋，傳輸距離有限。幾種無線通信技術比較參見表1。

表1 幾種無線通信技術比較

基于上述無線通信技術的優缺點，采用VLC的室內無線接入系統，并不會替代現有的無線通信接入系統，而是在現有無線系統在某些特殊場景中的應用，或者是在現有的蜂窩無線通信接入系統上的一個有效的補充。VLC應與現有通信系統協同工作，共同為用戶提供高速寬帶接入服務，從而將VLC的優勢發揮地更好。

2 基于VLC的智能照明控制系統

本文研究設計的智能照明控制系統主要由遠程控制單元、外部網絡、智能網關、內部網絡、子網控制單元、子網中繼單元、設備終端構成。設備終端與子網中繼單元采用可見光通信連接，采用串行的拓撲網絡結構，形成一條高速數據傳輸的鏈路。每個設備終端都作為數據通信的節點，這樣即可實現設備地址的自動編寫，為保證數據的準確性提供了保障，也可實現某一設備終端采集到的數據進行及時回傳；子網中繼單元與子網控制單元的內部網絡之間采用雙絞線(如以太網)連接，子網控制單元可將各路子網中繼單元的數據匯總，實現部分功能設定進行設備終端控制，且具有人工操作的人機界面；子網控制單元與智能網關的內部網絡才有雙絞線(如以太網)連接，智能網關不僅要把子網控制單元的數據進行信息處理，同時還要完成用戶通過遠程控制單元對智能網關的訪問。該智能工業照明系統總體框架如圖1所示。

信息反饋單元是將采集的信息通過信道轉換單元傳遞至智能網關，存儲并做進一步信息處理，以便用戶訪問服務器時查詢。信道轉換單元中的信號主要有KNX、ZigBee兩種，因為它們是工業控制領域最常用的通信信道，智能網關需要分別對KNX、ZigBee兩種總線通信模塊進行處理。

圖1 智能工業照明系統框架Fig.1 Intelligent industrial lighting system framework

2.1硬件設計

1)智能網關硬件設計。從功能、集成度、性價比等方面考慮，選擇意法半導體(SGS-THOMSON Microelectronics，簡稱ST)公司以ARM Cortex-M4為內核的STM32F407處理器作為智能網關的核心芯片。該芯片是STM32系列微處理器之一，具有較高的功能集成度、性價比，STM32F407不但能夠完成智能網關對消息的處理和控制，還能夠完成對工業智能照明系統的設備控制、數據收發和數據管理等任務，其主要功能是完成用戶遠程訪問的數據轉換及管理。

在圖2的智能網關電路框架中，處理器模塊采用32位的STM32處理器，用于控制、協調網關的工作運行。子網控制單元把多路子網中繼單元數據進行收集，通過以太網方式傳至智能網關，需要智能網關具有網絡路由器的作用；智能網關還包括WiFi模塊、以太網模塊、KNX總線模塊、ZigBee通信模塊，用戶既可以通過WiFi模塊管理訪問智能網關數據，也可通過遠程服務器訪問IP網絡地址實現。

圖2 智能網關框架Fig.2 Intelligent gateway framework

通過圖3可知，子網控制單元電路中的處理器與智能網關基本一致，具有預留可見光通信收發模塊、WiFi模塊、人機接口模塊、以太網組模塊最多可以接入16路，如圖3所示。主要用于收集終端設備反饋回傳的數據以及功能設定，如設備地址編寫、調控、固件升級。其具有子網中繼單元的所有功能，可做現場輔助調試。

圖3 子網控制單元框架Fig.3 Sub network control unit framework

2)終端設備硬件設計。終端設備單元是整個系統的核心，在照明控制方面須完成對環境光檢測進而對照明設備進行光強調節。在通信方面是利用可見光作為通信媒介，廠房用燈在空間布局對可見光通信提供了良好的基礎條件。可見光接收模塊接收到上一節點發來的可見光信號后進行解調，若與該節點地址ID相符則執行指令，若不是則傳送至可見光發送模塊。根據圖4可知，終端設備采用2個處理器，該單片機采用的是Silicon Labs的C8051F381，有25個端口I/O，2 304B數據RAM，32 kB Flash，4個16位計數器/定時器。另外，具有豐富的外設接口，支持USB 2.0、SPI、UART串口等，能夠滿足系統需要的所有功能，同時價格低廉。BLE模塊用來與外部通信終端連接，在智能工廠的管理系統中發揮著訪問數據庫的作用。

如圖5所示，該系統是要將所有的終端設備連接成一個閉環的通信網絡。我們知道廠房燈安裝間距一般都在10 m范圍以內，此時還應使可見光發送模塊發射功率達到3 W左右，才可保證可見光通信速率達到40 Mbps左右。這一中速的通信網絡可以滿足較多的用戶訪問量，實現大量數據的訪問，對推廣智能工廠奠定一個良好的通信基礎。閉環的通信回路還可按照“節點加一”規則進行燈具地址自動編寫，省去預設地址的工作量。

圖4 終端設備硬件電路框架Fig.4 Terminal hardware circuit framework

圖5 終端設備(節點)鏈路示意圖Fig.5 Schematic diagram of terminal equipment link

2.2軟件設計

1)智能網關軟件設計。智能網關軟件的主要功能包括：對子網控制單元或者遠程控制單元的接入管理；終端設備與遠程控制單元間的信息交換；提供人機交互接口以及實現管理控制，如圖6所示。

系統首先進行初始化，包括對子網單元的檢測及遠程管理終端單元的接入管理等，然后對外部設置進行讀取，判斷執行控制模式。

(i)如果為“自動控制”模式，則設置期望光強值，保存期望光強值，發送“光強查詢”信息子網控制單元，所述“光強查詢”信息包含數據包目的地址信息。讀取反饋信息，獲取光強值信息。計算所需控制輸出值，發送“光強設定”信息到子網控制單元。設置控制定時器初值，等待控制定時器中斷后，發送“光強查詢”信息到子網控制單元。

(ii)如果為“手動控制”模式，則直接檢測網口端有無信息。若網口端有信號，則轉發信息到子網控制單元。若無信息，則檢測有無外部輸入信號，若有操作信號輸入，則設置亮度控制值，發送“光強設定”信息到子網控制單元，所述“光強設定”信息包含數據包目的地址信息和光強設定值，讀取反饋信息，在圖形窗口中顯示反饋信息；若無信號則直接返回判斷網口端有無信號。

圖6 智能網關軟件設計流程圖Fig.6 Intelligent gateway software design flow unit

2)子網控制單元軟件設計。子網控制單元是實現子網端終端設備與用戶、服務器進行數據交換的橋梁，負責對網絡內設備的管理，如圖7所示。

圖7 子網控制單元軟件流程圖Fig.7 Sub network control software flow unit

系統首先進行初始化，包括對終端設備的檢測以及子網中繼單元的接入管理等，建立單一系統構成的可見光通信網絡，然后與智能網關建立連接，讀取以太網接口信息，將讀取的信息進行處理。處理后的信息通過子網中繼單元的可見光通信發給終端設備。最后將終端設備的應答信息轉發到智能網關控制單元。

3)遠程控制單元軟件設計。遠程控制單元主要用于實現照明設備的靈活控制，為保證系統的安全性，遠程控制單元的軟件需具有用戶驗證功能。打開軟件時，進行用戶驗證，在界面上顯示設置信息、廠房信息，當單擊對應廠房時，應即可顯示當前房間內的照明控制設備、終端設備狀態和亮度。運行時不僅能夠完成根據設定對照明設備的開關和亮度調節，還要完成根據環境變化、人員稀疏做進一步節能管理的深化[2]。

3 VLC在智能工業照明的應用

根據前面內容的闡述可知，基于可見光通信技術的智能照明控制系統，不僅能作為智能照明管理系統，還可利用該系統平臺建立一個快速的通信局域網網絡，結合互聯網后可實現遠程操控及海量數據訪問。可見光通信在智能工業照明領域的應用，與其他基于KNX總線、ZigBee蜂窩不同，其還可采用成像輔助定位算法實現高精度定位以用于智能機器人替代人工[3]；還可利用該智能照明控制系統與虛擬現實(VR)技術結合實現智能倉儲中物品信息定位、自動化流水線上檢測結果分析，引發未來在工業生產中掀起視覺工作界面的革命，以滿足“工業4.0”對智慧工廠信息化、人性化建設需求[4]。

如圖8所示，可見光信號從第一個終端設備開始傳至下一個設備節點，每盞燈具間隔10 m，連接20個后回傳至子網中繼單元的可見光接收部分。根據前面所述單個可見光發送模塊的發光功率在3 W左右，通過計算可知該廠房內的照明總功率除了每盞燈具的又增加了60 W左右的照明功率。

圖8 廠房燈的通信網絡示意圖Fig.8 Schematic diagram of communication network for workshop lamp

4 結束語

在“工業4.0”時代下，信息技術將要經歷一場技術創新革命，而智能工業照明作為LED照明應用的一部分，其既是被改造的對象，也為改造提供了一種方法和手段。基于可見光通信技術的智能照明控制系統與照明場景相結合充分發揮了可見光通信的技術優勢，為未來智能工廠中的通信提供了一種方法，該通信網絡傳輸速度高于傳統智能照明控制系統，為更好地發揮虛擬現實帶來的視覺感受提供了一種通信基礎。

[1] 王喜文. 工業4.0:智能工業[J].物聯網技術, 2013(12):3-4.

[2] 陳廣，李曉卉，趙兵，等.基于EnOcean技術的智能照明控制系統設計[J].建筑電氣,2015,34(2):26-29.

[3] 婁鵬華, 張洪明, 郎凱, 等. 基于室內可見光照明的位置服務系統[J].光電子與激光, 2012(12): 011.

[4] 鄧健志，程小輝.基于可見光通信的溶洞景區照明控制方法研究[J].電視技術,2014,38(9):193-196.

ApplicationofVisibleLightCommunicationTechnologyintheIntelligentIndustrialLighting

NIU Yanfang1, SUN Dedong2, GONG Taorong3, XIN Jun4
(1.BeijingShenanInvestmentGroupCO,Ltd,Beijing102602,China; 2.STATEGRIDInformation&TelecommunicationGroupCO.,Ltd.,Beijing100031,China; 3.BeijngSmart-chipMicroelectronicsTechnologyLtd.,Beijng102200,China;4.ZhengzhouPowerSupplyCompanyofStateGridHeNanElectricPowerCompany,Zhengzhou450052,China)

The intelligent lighting control system based on visible light communication technology is put forward, and the advantage of visible light communication is applied in the intelligent industrial lighting. In the intelligent industrial lighting applications, the system not only can realize the energy saving management of lighting equipment, but also can combine the intelligent lighting control system and virtual reality (VR) to achieve intelligent storage of goods in the information positioning and automated pipeline test results analysis, which can meet the “industrial 4.0” needs on intelligent factory information and humanization construction needs.

smart lighting; control system; visible light communication; industry 4.0; VR

TN929.12

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.007

國家電網科技項目《面向電網業務應用的可見光通信技術研究》(合同編號：SGHAZZ00FCJS1500238)。