基于物联网技术的建筑照明智能无线控制系统

聂章龙

（常州信息职业技术学院江苏常州213164）

随着中国经济的高速增长，直接带动了中国建筑业的迅猛发展，由此带动建筑照明（LED）、建筑电气市场巨大需求，并以每年30%的速度增长，同时，在倡导低碳经济和节能减排趋势下，为建筑照明（LED）、建筑电气产品和技术提供了广阔的市场机遇，可以说，中国建筑照明（LED）暨、建筑电气产业发展处于历史最好时期。据资料统计，2009年江苏省的城市照明的投入在5亿人民币以上，其中控制器部分在1亿人民币以上。目前在建筑照明中很少能由一台服务器通过物联网控制到建筑物内的单灯和自动检测到单灯故障。针对这种状况，本文充分研究并融合传感网技术、电信网技术、互联网技术应用于建筑照明的智能化与精细化节能管理控制，从根本上解决传统建筑照明的灯检、单灯控制、节能、信息跟踪等问题，是现代建筑照明的根本解决方案。

1 系统功能设计

本系统按照分层软、硬件设计思想，设计出“终端层—电控柜主节点层—服务器层”的3层结构，采用GPRS技术实现服务器层与电控柜主节点层之间的通信，采用ZigBee技术通过自主研发的网络编址和通信协议实现电控柜主节点层与终端层之间的通信，从而实现利用一台计算机控制到楼宇或整座建筑单灯的梦想，系统的整体架构图如图1所示。系统在有效网络编址基础上，提供1/2、1/3等控制模式和按地球经纬度控制模式，实现了节能。

1.1 终端层设计

1）终端层硬件设计

终端层的硬件部分主要由ZigBee照明终端控制器组成，ZigBee照明终端控制器选用飞思卡尔公司的基于IEEE 802.15.4标准的MC13213作为主控芯片[1]。ZIGBEE照明灯终端控制器的硬件设计主要包括：MC13213主控器最小系统、天线系统、采集系统、控制系统、电源系统的设计。MC13213最小系统原理图如图2所示。

2）终端层软件设计

ZigBee照明终端控制器的主要功能有：接收高端发送的不同方式的控制命令，控制照明灯实现降功率功能；采集照明灯工作电压电流状态并上传，供高端查看决策用。为了实现照明智能“三遥”（遥控、遥测、遥信），需要制定出合理有效的通信协议，本系统通过自主研发的SDWSN-IP4无线传感器网络协议并能够根据不断改变的网络现状进行动态拓扑[2]，对同一网段内命令进行存储转发，维持整个网络的有效通信。

图1 建筑照明智能无线控制系统架构图Fig.1 Intelligent wireless control system for building lighting

图2 MC13213最小系统原理Fig.2 Minimum system principle of the MC13213

SDWSN-IP4无线传感器网络协议采用类似于以太网中IP4地址的编址机制，使用32位（4字节）确定一个无线传感器节点的地址。其中，一些位可以用于网段、类型、组等定义，以便为网段、类型、组的整体命令提供地址机制。网络节点是SDWSN-IP4无线传感器网络中的最小控制单元，可以接收并执行相应的控制命令，也可返回自身状态。网络节点编址机制如表1所示。

1）网络节点编址机制

表1 无线传感器网络协议—网络节点编址机制Tab.1 Wireless sensor network protocols-network node addressing mechanism

2）帧格式

为了网络数据帧的更容易控制和编码解码的方便，将数据帧定义为定长，这样在功能完全实现的基础上，程序和协议的设计都会变的很简单。自主研发的协议规定一个数据帧的长度固定为11个字节，数据帧包括两种类型的帧：命令帧和状态帧。命令帧主要是将命令字段定义在帧中，传输到相对应的网络节点，相关的网络节点执行命令。命令包括全网络的命令和单个网络节点的命令，全网络的命令表示该命令网络的所有或多个节点都要执行，单个网络节点命令表示命令只是针对单个网络节点的。为确保控制的有效性，需要加上状态帧来及时取得照明灯的状态进行查看。状态帧中包含单个网络节点的状态参数。

命令帧的格式如表2所示。

表2 命令帧的格式Tab.2 Format of the comm and frame

①帧号：在同一网络中，数据的转发规则是：收到一个新的帧后转发一次，如果立刻又收到这个帧则不进行转发。自主研发的网络采用的是帧号机制。高端提供的数据帧中包含一个帧号字段，唯一的标志了一个帧，并给帧号提供了位示图的标志置位机制。一个位代表一个帧号，置位该位即表示已转发过。

②网络节点地址：表2所示的4个字节。

③命令字节：命令字节用于表示执行的命令类型，这是自定义的。

④控制字节：照明灯控制时所需的其他的参数，如节能控制方式等。

1.2 电控柜主节点层设计

1）电控柜硬件设计

电控柜主节点层的硬件主要是由GPRS-ZIGBEE路由器构成，其硬件总体框图如图3所示。其中AD模块和继电器模块用于路端控制箱的控制和监测。SPI、IIC接口便于扩展，使得硬件具有灵活性和可扩展性。MC13213照明灯网络主控节点将照明灯网络的数据信息传输到数据收发处理模块，该模块以32位ColdFire系列芯片MCF52223为核心[3]，对数据处理后封帧，然后通过3G/2.5G发送到服务器层。3G模块使用华为公司的WCDMA模块EM770W，2.5G模块使用华为公司的GPRS模块EM310。

图3 GPRS-ZIGBEE路由器硬件总体设计Fig.3 The hardware design of GPRS-ZIGBEE router

2）电控柜软件设计

GPRS-ZIGBEE路由器主要包括两个部分的MCU方软件设计：MC13213照明灯网络主控节点设计和数据收发处理模块设计。

①MC13213照明灯网络主控节点的软件设计

在设计时，我们采用面向硬件对象和程序模块化封装的设计思想，对软件的工程文件进行组织，将与硬件相关的驱动程序和上层功能性程序分割开来。对各功能模块中文件的划分同样充分遵循了面向硬件对象和模块化划分的思想，极大地提高软件的通用性和可复用性。主控节点的工程设计与ZIGBEE照明灯终端控制器软件设计基本相同，这里不再赘述。

②数据收发处理模块的软件设计

该模块主要功能是接收MC13213照明灯网络主控节点传输的数据，然后通过3G或2.5G模块发送到Internet上监控中心的服务器[4]。所以该模块作为一个网关，是照明灯无线传感网络和Internet的接口。无线收发数据的主要程序代码如下所示[5]：

/*==========函数功能:发送数据函数===========*/

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

{

UINT8 i，u8Status，tempdata[128]；

TxPacket tempTxPacket；//定义发送的数据包

RFRXDisableRequest（pRTxMode）；

/*1.设置数据长度和存储位置*/

tempTxPacket.m_u8DataLength=len；

tempTxPacket.m_pu8Data=tempdata；

/*2.设置数据包的数据*/

f

or（i=0；i＜len；i++）

tempTxPacket.m_pu8Data[i]=data[i]；

/*3.发送数据包*/

u8Status=RFPDDataRequest（&tempTxPacket，pRTxMode）；//将封装好的数据包发送出去

RFRXEnable（pRTxMode）；

return u8Status；

}

/*========函数功能:接收数据函数=========*/

{

UINT8 u8DataLength=0；//RX包的数据长度

UINT8 nLogicState=（*nStatusContent）&RX_IRQ_MASK；

if（nLogicState!=0）

{

MC13192_RTXEN=0；//MC13192 RTXEN管脚设置无效

nLogicState=（*nStatusContent）&CRC_VALID_MASK；//判断数据的有效性

if（nLogicState==0）//如果是无效的CRC，重新使能接收器

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

else//CRC校验正确

{

u8DataLength=（UINT8）（SPIDrvRead（RX_PKT_LEN）&0x7F）；//读取接收到数据的长度

if（u8DataLength＜RXTX_MIN_LEN）//判断数据的长度是否有效

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

（*pRTxMode）=IDLE_MODE；//恢复到idle模式

rxPacket-＞m_u8DataLength=u8DataLength；//读取有效数据

rxPacket-＞m_u8Status=SUCCESS；

（void）RAMDrvReadRx（rxPacket）；

EnableInterrupt（）；

（*nStatusContent）=0；

return 1；

}

}

}

1.3 服务器层设计

服务器层的设计主要是指城市建筑照明控制系统软件的设计，该软件基于Windows 2003平台，以大型商用数据库SQL Server2005为基础，采用B/S模式。我们将其设计为两个部分，即通信软件部分和管理软件部分，两者之间通过实时数据库进行通信。

通信软件通过和GPRS/WCDMA的通信来负责获取取数据库中的还未处理的控制指令或将状态信息指令放入到数据库。该软件使用多线程的异步Socket机制，使得多个楼端通信装置可以和服务器的同一个端口通信，此时通信软件只需要维护一张哈希表，记录楼端通信装置（TCP客户端）和它对应的Socket句柄。减少了开发的复杂度，同时也提高了稳定性。管理软件主要负责管理数据库和将控制指令放入数据库，通过数据库和通信软件进行数据传输。为了更好的发挥系统的节能功能，在进行管理软件设计时，积极响应国家节能减排的政策，通过市场调研，挖掘城市建筑照明中的节能潜力，提出多种节能控制模式[5]，以下简单列举几种。

1）1/2、1/3等控制模式

本系统已经实现单灯控制，在业主和客人不太多的情况下，可以采用隔一盏、隔两盏亮灯的模式。这样，既能满足地面基本光照，又能达到节能的目的。

2）按地球经纬度控制模式

由于地球经纬度的差异，使得各地的日出日落时间不一样，同一地方不同季节的日出日落时间也不一样。如果统一设定开关灯时间，既浪费能源，又不能达到很好的控制效果。比如说，某市一月中旬的日出时间为07:21:00，日落时间为17:33:00，而七月中旬的日出时间为05:28:00，日落时间为19:28:00。如果统一设定开灯时间为17:30:00，那么到七月份，就会造成很大的资源浪费。基于这种情况，本文提出了按日出日落时间自动调整开关灯时间。将当地的日出日落时间表导入系统，设置开关灯偏移时间。这样随着季节的变动，开关灯时间会自动的随日出日落时间的变化而变化。开灯偏移量与日落时间决定了开灯时间，即开灯时间=日落时间+开灯偏移量；关灯偏移量与日出时间决定了关灯时间，即关灯时间=日出时间+关灯偏移量。

2 结论

系统完备功能的实现靠的是可靠稳定的硬件、考虑周全的软件协议和良好的架构思想。本系统按照分层软硬件设计思想，采用终端层、电控柜主节点层和服务器层的3层工作结构进行设计，将ZigBee技术[7]、2.5G/3G通信技术与Internet Web技术可靠的融合到整个系统开发过程，从而达到对城市建筑照明的“面—线—点”的智能化节能控制。系统具有以下几个特色和创新点：

1）系统实现了专用传感网、电信网及互联网的可靠融合应用；

2）自主设计硬件体系：采用Freescale公司的ZigBee无线射频芯片MC13213设计无线传感网通信模块，主要用于解决智能建筑终端设备的数据采集问题；

3）提出了适用于照明灯具控制的ZigBee网络编址算法及路由协议，使得分散的照明灯构成一个自适应动态拓扑的无线传感网络，组网方式灵活，便于移植。

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

[2] 刘广林，汪秉文，唐旋来.基于Zi gBee无线传感器网络的农业环境监测系统设计[J].计算机与数字工程，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] 张俊华.基于GPRS和Zigbee的无线智能路灯控制系统设计[J].计算机光盘软件与应用，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] 宋绍剑，薛春伟.基于Zigbee的城市路灯智能监控终端控制器设计[J].照明工程学报，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] 胡开明，李跃忠，卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与实现[J].现代电子技术，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] 万磊，章勇，李剑.基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计[J].电子科技，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.