楼宇照明灯联网远程监控系统的设计

何佩颖，余建华，龚向东

(深圳大学电子科学与技术学院，广东 深圳 518060)

1 引言

在照明领域，减少碳排放、应对气候变化的一项重要举措就是发展智能照明控制系统以及提高照明管理的效率。据统计，中国2009年发电量达到35965亿kWh,其中照明用电就占总发电量的12%～14%[1]，由此可见照明节能减排的重要性和必要性。

传统照明系统控制模式单一、管理效率低下、不可分级调光，用电浪费现象显著，而且线路布局复杂、不便于维护和扩展。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有低复杂度、自组织、低数据速率、低成本等特点，并且具有良好的扩容性[2～4]。采用ZigBee技术建网，能够简化楼宇自动化设备线路设计，便于对设备的分散控制和集中管理。我们开发了一种基于ZigBee技术的楼宇灯联网系统，具有规模化灯具无线组网、多种模式灯光调节、环境智能感知、远程监控等特点，能够有效的节省电能。本文介绍该楼宇灯联网中远程监控系统的设计与实现，它实现了对照明设备的分散控制和集中管理，其特点在于远程网络化实时监控，具有智能、定时和人工多种控制模式，应用数据库管理灯具网络数据，还具备故障自动提醒功能。

2 灯联网系统结构

本灯联网系统由ZigBee无线灯具网络、嵌入式网关和远程监控中心三级组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 Curve: system structure

2.1 无线灯具网络

无线灯具网络由一系列ZigBee路由节点和终端节点构成，路由节点既可以充当无线网络信号的中继节点，同时也可以作为终端节点工作；终端节点可以是LED灯具设备，也可以是无线开关设备，还可以是红外传感器、照度传感器和温度传感器的集成设备。这些节点与ZigBee协调器中心节点一起形成一个网状拓扑结构[5]的ZigBee网络，它具有良好的扩展性，最多可容纳65000多个节点。协调器中心节点负责存储整个网络信息和管理所有路由节点、终端节点的数据，它通过RS232串口将各节点回传的数据按先后顺序发送给嵌入式网关，当协调器节点接收到嵌入式网关发送过来的控制指令时，它会解析指令的设备地址，根据地址控制相应节点设备。

2.2 嵌入式网关

嵌入式网关是实现远程网络化监控的关键设备，它集数据无线收发、数据协议转换与Internet通讯功能于一身，使无线灯具网络和以太网络实现无缝融合。ZigBee协调器中心节点通过RS232串口与嵌入式网关相连，网关提取串口的有效数据后重新封装成TCP/IP数据包，通过Internet发送给监控中心；当网关接收到Internet发送过来TCP/IP数据包，它解析数据包的有效数据并封装成串行协议数据包，由协调器中心节点将网关的数据发送给灯具网络，从而实现了无线灯具网络和以太网的双向通讯。

2.3 远程监控中心

远程监控中心是无线灯具网络系统的管理中心，负责进行远程监控、采集信息并进行数据处理、管理后台数据和发送控制命令。监控软件的组成主要包括权限管理模块、控制模块、设备信息模块、数据库模块、自动报警模块和底层通讯模块。权限管理模块赋予用户不同的操作权限，对灯具网络系统进行分权限管理；控制模块实现对灯具网络的智能调控、定时调控和人工调控，还能对网络进行单灯控制或者批量控制；设备信息模块实时采集灯具状态并借助人机交互界面展示给用户；数据库模块负责保存用户信息、相关配置信息和灯具网络的历史数据；当监控软件出现通讯故障或者灯具出现异常时，自动报警模块会自动弹出相关信息提醒用户处理故障；底层通讯模块负责与网关进行远程数据交换。

3 照明光源设计

照明光源采用既节能又环保的LED作为照明设备，而且它具有工作电压低、可控性强、支持连续性调光的特点，能够满足智能化的楼宇照明控制需求。LED照明灯具的驱动采用LM3409作为主控芯片，该芯片最大能够提供5A的大电流输出，并且支持脉宽调制(PWM)工作模式，能够提供灵活多变的控制模式满足楼宇照明在线控制需求。照明光源驱动电路的设计如图2所示。根据实际需求可设计多路驱动，驱动电路可接不同颜色的LED灯珠，设计成单色灯具，彩色灯具和色温灯具。其中色温灯具是指色温可调节的灯具，低色温光源能量集中在红辐射区域，俗称暖光；高色温光源能量集中在蓝辐射区域，俗称冷光。

图2 照明光源驱动电路Fig.2 Curve: driver circuit of lighting source

4 嵌入式网关设计

嵌入式网关基于嵌入式linux操作系统，网关采用Samsung公司32位的RISC嵌入式处理器(S3C6410)作为主控芯片，该芯片基于ARM1176JZF-S 内核，主频可达667MHz。以该芯片为核心的网关硬件结构如图3所示。

图3 网关硬件结构Fig.3 Curve: the gateway hardware structure

网关软件基于LwIP(轻量级的TCP/IP协议)和串行协议，采用C/S的开发模式实现无线灯具网络和以太网络数据的交互。网关应用程序包含Socket 服务端子程序和串口子程序，分别用于实时监听Internet客户端数据和无线灯具网络的节点数据。

网关程序设置ComReadyRead和TcpReadyRead信号分别用于监听串口数据和Internet网络数据，当串口有数据时，触发ComReadyRead信号，该信号通知串口子程序调用ComReadAllData (QByteAr ray Data)函数读取串口缓冲区的数据，然后对所读取的数据进行校验：判断数据的起始帧SOF值是否为0xFE，其次再判断数据长度帧(LEN)和接收的数据长度是否一致，最后通过累加和校验算法[6]求出校验位，并与接收数据的校验位对比。若数据校验结果正确，则保存数据并调用Socket服务端子程序函数TcpSendData(QByteArray Data)向远程客户端发送数据，否则丢弃该数据。当网关收到远程客户端发送的控制指令时，会触发TcpReadyRead信号，该信号通知Socket服务端子程序调用TcpRead AllData(QByteArray Data)读取Socket缓冲区的数据，然后进行数据校验，若校验结果正确调用ComSendData(QByteArray Data)向协调器中心节点发送指令控制无线灯具网络。网关程序工作流程如图4所示。

图4 网关程序工作流程Fig.4 Curve: the gateway program workflow

5 远程监控软件设计

随着无线灯联网系统的快速发展，对于监控系统也提出了更高的要求，它直接决定了无线灯具网络系统的能耗和性能。监控系统不仅要求人性化的控制界面、操作简便细腻、功能丰富，而且要易于扩展以满足灯联网系统的快速发展。本软件基于QtSDK开发环境和SQlite数据库进行开发调试，采用分层次和模块化的思想进行设计，使得软件结构简单易于扩展。

5.1 软件框架

根据楼宇智能照明控制系统的特点和实际需求，软件分为三层：交互层、业务层和通讯层，其中业务层包含多个功能模块，软件框架如图5所示。

图5 软件框架Fig.5 Curve: software framework

①通讯层：是实现远程网络化监控的核心，该层封装了一个基于TCP/IP协议的通讯模块，它作为底层的公共通讯接口，供业务层的各功能模块调用。它负责传送各功能模块的指令和接收网关的数据。

②业务层：由数据库模块、控制模块、自动报警模块、权限管理模块等模块组成，它涵盖了灯具监控、数据处理、数据管理和其他的辅助功能。

③交互层：是用户对无线灯具网络进行可视化监控的人机交互界面(UI)。它向用户提供了智能控制、手动控制和定时控制多种操作模式，并以图形化和表格的形式显示灯具网络的实时状态，当灯具网络系统出现故障或者通讯故障时，自动提示用户修复故障。

5.2 UI设计

本软件采用传统菜单式的设计模式，根据软件的实际功能分类，设置五个菜单选项：系统设置、监控、报表、数据库和帮助菜单。系统设置主要应用于设置软件基本参数、赋予用户相应操作权限和调试设置无线灯具网络；监控菜单主要实现灯具网络状态的实时监测和多种控制模式，如单灯控制、批量控制、智能控制、定时控制等；报表菜单主要完成系统功耗统计和功耗曲线的绘制，以及打印报表；数据库菜单提供用户查询系统配置信息、灯具网络历史数据和用户信息。软件菜单结构如图6所示。

图6 软件菜单结构Fig.6 Curve: the software menu structure

5.3 通讯模块设计

本模块是基于TCP/IP协议设计的底层通用接口，采用Qt的QTcpSocket类进行封装设计，其核心代码如下：

class TcpClient: public QDialog,public TcpUdpComBase

{

Q_OBJECT；//设置模块可用信号与槽机制

public:

explicit TcpClient(QWidget *parent=0);

～TcpClient();//析构函数

void SendMessage(QByteArray); //发送数据接口

void ClientDisconnect();//断开与网关服务器的连接

void ClientConnect();//连接网关服务器

QByteArray Read_Data;//返回的数据

…

signals:

void Receive_Data(QByteArray);//通知后台收到网关服务器的数据

private slots:

…

void UpdateClient();//更新通讯接口端状态信息

QByteArray ClientReadMessage();//读取网关服务器数据接口

…

private:

QTcpSocket *tcplink;//Socket客户端

QString ServerIP;//获取网关服务器IP地址

QString ServerPort;//存放网关服务器端口号

…

}

当后台业务层的各功能模块需要向无线灯具网络发送控制命令时，软件会调用底层接口函数SendMessage (QByteArray)将命令打包成TCP/IP数据包发送给嵌入式网关；网关服务器有数据到来时，会调用底层接口函数ClientReadMessage() 来获取数据，并且发送Receive_Data(QByteArray)信号通知系统处理数据，最后通过人机交互界面向用户展示灯具网络实时状态信息。

5.4 通信协议设计

客户端软件与无线灯具网络的通信协议可以分为节点控制命令和节点状态报告两种约定。

(1)节点控制命令由客户端软件发送给无线灯具网络，节点控制命令格式如表1所示。

表1 节点控制命令格式Table 1 Control command format of zigbee node

例如要开启某节点的照度传感器，可发送如下命令：FE 08 04 00 21 BA 01 E6，其中FE为起始帧，08代表控制命令字节数，04代表启动照度传感器的命令，00是关闭ZigBee组播模式，21 BA是目标设备的地址，01表示设置传照度传感器的工作模式，最后一个字节E6是对前述字节通过累加和算法生成的校验码，用于验证数据的准确性。

(2)节点状态报告由无线节点发送给协调器，再通过网关服务器转发给客户端软件，它主要包含节点设备信息、工作状态信息以及设备相关数据，节点状态报告格式如表2、表3所示。

表2 节点状态报告格式Table 2 Status report format of zigbee node

表3 DATAs帧的灯具信息Table 3 Data frames of the lighting network information

例如，客户端程序接收到无线灯联网的节点报告如下：FE 1B 46 87 3E BA 00 00 02 FF FF FF 01 09 03 01 01 7A 07 21 01 81 00 F4 00 01 0D，其中1B表示状态报告的字节数，46 87 代表是节点返回的信息报告， 3E BA是子节点设备地址，00 00表示父设备地址，02代表该设备类型为带传感器的彩色灯具，FF FF FF表示彩灯的三基色灰度值，01是色温灯具的色温值，09 03 01代表楼层、房间和区域位置信息，017A 0721 0181 00F4 0001分别代表电压、电流、温度、照度和红外的数据，最后一个字节0D代表数据校验码。

5.5 数据库设计

本软件应用SQlite数据库管理后台数据，并以数据库表单的形式对数据进行分类管理。首先，分别建立UserInfomation、ConfigureInfomation、DeviceData、ErrorLog四个数据库表单。UserInfomation设计3个字段保存用户账号、用户密码、用户权限；ConfigureInfomation设计2个字段保存楼宇配置信息；ErrorLog设计4个字段保存故障设备所在位置、故障类型和故障时间；DeviceData(设备信息表单)保存灯具网络的所有状态信息和数据，设备信息表如表4所示。DeviceData表单中的ID字段是该表单的主键，每次向数据库存放的数据必须给它分配一个ID(从1开始，每次自增1)，且该值唯一，是访问数据库的重要标志。其次，采用模型视图框架的形式显示数据库数据，模型表示数据项，视图负责管理模型中读取数据的外观布局。

表4 设备信息表Table 4 Device information table

6 测试及结果

为验证系统的各项功能，搭建了一个小规模的的楼宇灯联网系统，其典型组件如图7所示，包括远程监控终端、嵌入式网关和多种ZigBee节点设备(无线LED灯具节点、传感器节点和无线开关等)。

图7 楼宇照明灯联网远程监控系统Fig.7 Curve: remote monitoring system of lighting network in buildings

远程监控中心通过Internet访问嵌入式网关来获取无线灯具网路的实时信息数据，并远程控制无线灯具网络。远程客户端接收无线灯具网络的实时状态信息如图8所示，单灯控制界面如图9所示。

经测试，当系统设置为智能控制模式的时候，能够进行有效的节能。当指定设备设置为红外控制模式时，无人经过的时候灯具一直保持关闭状态，有人经过的时候，照明灯具便自动开启，等人离开之后自动关闭，避免人为忘记关灯造成的浪费；当设备被设置为恒照度控制模式时，环境光的亮度足够强时，灯具处于关闭状态，当环境光亮度逐渐减弱的时候，设备根据环境亮度调节照明设备的亮度，充分利用环境光亮度达到节能的目的。

图8 灯具网络的实时状态信息Fig.8 Curve: real time status information of lighting network

图9 单灯控制界面Fig.9 Curve: single control UI of lighting network

7 结束语

随着ZigBee技术的快速发展，智能照明控制系统已经逐渐走进了人们日常生活，如何便捷有效地操控照明网络中的设备并管理这些设备所产生的大量数据，则成为推广这项技术的关键。本文给出了一种楼宇智能照明远程监控系统的设计并通过实验验证，该设计不仅克服了传统照明控制系统管理落后，浪费能源和舒适性差等缺点，还给用户提供了可视化的监控界面和灵活多变的控制方式。

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