可见光通信技术在智能工业照明中的应用研究

牛衍方,孙德栋,龚桃荣,辛 军

(1.北京申安投资集团有限公司，北京 102602；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100031；3.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；4.国网河南省电力公司郑州供电公司，河南 郑州 450052)

可见光通信技术在智能工业照明中的应用研究

牛衍方1,孙德栋2,龚桃荣3,辛 军4

(1.北京申安投资集团有限公司，北京 102602；2.国网信息通信产业集团有限公司，北京 100031；3.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；4.国网河南省电力公司郑州供电公司，河南 郑州 450052)

我们提出一种基于可见光通信技术的智能照明控制系统，基于可见光通信的技术优势我们将其应用于智能工业照明领域。在智能工业照明应用中，该系统既可以实现照明设备的节能管理，又可利用该智能照明控制系统与虚拟现实(VR)技术结合实现智能仓储中物品信息定位、自动化流水线上检测结果分析，这满足“工业4.0”对智慧工厂信息化、人性化建设需求。

智能照明；控制系统；可见光通信；工业4.0； VR

引言

随着LED照明产品在工业照明领域的应用，人们对智能工业照明提出了新要求。“工业4.0”是对生产制造业的全面数字化、智慧化升级，同时也对信息技术应用提出更高的要求，最终达到快速、有效、人性化体验的产品供应。本文依据现有技术发展状况，提出基于可见光通信的智能照明系统，不但能满足人们对工厂内大功率照明设备的合理有效分配进而实现平台化节能管理，还能够为部分区域进行信息化管理升级[1]。

而本文主要着重讲述可见光通信技术在智能工业照明应用中的探索与研究。基于白光LED 的可见光通信技术提供一种全新的数据通信方式，具有多领域，多场景，多行业的应用发展前景。

1 可见光通信技术特点

可见光通信是照明与通信的深度融合。具有以下特点：①频谱较宽，免频谱许可授权。可见光波长380～780 nm即具有405THz的巨大带宽，是整个无线频谱的10 000倍。②无电磁干扰，抗干扰性强。可用于机舱、医院、核电站等对电磁干扰比较敏感或受电磁干扰严重的地方的无线接入。③发射功率高，通信速率快。白光LED在通信方面突出优点是响应时间非常短，因此可以用LED进行超高速数据通信。

不同的无线通信技术各有其自身优势及最佳应用领域：BLE属于近距离无线通信技术，被广泛应用于手机、耳机、笔记本、穿戴式设备；Wifi非常适合大数据量的传输，可使电脑、平板、笔记本、手机等直接通信；ZigBee当前主要被用在近距离智能抄表及家用智能开关上。这几种无线通信协议设备与可见光通信相比，功能单一、受环境干扰、稳定性、保密性不具有优势，而可见光通信的缺点也非常明显：不能穿透障碍物而受到阻挡，传输距离有限。几种无线通信技术比较参见表1。

表1 几种无线通信技术比较

基于上述无线通信技术的优缺点，采用VLC的室内无线接入系统，并不会替代现有的无线通信接入系统，而是在现有无线系统在某些特殊场景中的应用，或者是在现有的蜂窝无线通信接入系统上的一个有效的补充。VLC应与现有通信系统协同工作，共同为用户提供高速宽带接入服务，从而将VLC的优势发挥地更好。

2 基于VLC的智能照明控制系统

本文研究设计的智能照明控制系统主要由远程控制单元、外部网络、智能网关、内部网络、子网控制单元、子网中继单元、设备终端构成。设备终端与子网中继单元采用可见光通信连接，采用串行的拓扑网络结构，形成一条高速数据传输的链路。每个设备终端都作为数据通信的节点，这样即可实现设备地址的自动编写，为保证数据的准确性提供了保障，也可实现某一设备终端采集到的数据进行及时回传；子网中继单元与子网控制单元的内部网络之间采用双绞线(如以太网)连接，子网控制单元可将各路子网中继单元的数据汇总，实现部分功能设定进行设备终端控制，且具有人工操作的人机界面；子网控制单元与智能网关的内部网络才有双绞线(如以太网)连接，智能网关不仅要把子网控制单元的数据进行信息处理，同时还要完成用户通过远程控制单元对智能网关的访问。该智能工业照明系统总体框架如图1所示。

信息反馈单元是将采集的信息通过信道转换单元传递至智能网关，存储并做进一步信息处理，以便用户访问服务器时查询。信道转换单元中的信号主要有KNX、ZigBee两种，因为它们是工业控制领域最常用的通信信道，智能网关需要分别对KNX、ZigBee两种总线通信模块进行处理。

图1 智能工业照明系统框架Fig.1 Intelligent industrial lighting system framework

2.1硬件设计

1)智能网关硬件设计。从功能、集成度、性价比等方面考虑，选择意法半导体(SGS-THOMSON Microelectronics，简称ST)公司以ARM Cortex-M4为内核的STM32F407处理器作为智能网关的核心芯片。该芯片是STM32系列微处理器之一，具有较高的功能集成度、性价比，STM32F407不但能够完成智能网关对消息的处理和控制，还能够完成对工业智能照明系统的设备控制、数据收发和数据管理等任务，其主要功能是完成用户远程访问的数据转换及管理。

在图2的智能网关电路框架中，处理器模块采用32位的STM32处理器，用于控制、协调网关的工作运行。子网控制单元把多路子网中继单元数据进行收集，通过以太网方式传至智能网关，需要智能网关具有网络路由器的作用；智能网关还包括WiFi模块、以太网模块、KNX总线模块、ZigBee通信模块，用户既可以通过WiFi模块管理访问智能网关数据，也可通过远程服务器访问IP网络地址实现。

图2 智能网关框架Fig.2 Intelligent gateway framework

通过图3可知，子网控制单元电路中的处理器与智能网关基本一致，具有预留可见光通信收发模块、WiFi模块、人机接口模块、以太网组模块最多可以接入16路，如图3所示。主要用于收集终端设备反馈回传的数据以及功能设定，如设备地址编写、调控、固件升级。其具有子网中继单元的所有功能，可做现场辅助调试。

图3 子网控制单元框架Fig.3 Sub network control unit framework

2)终端设备硬件设计。终端设备单元是整个系统的核心，在照明控制方面须完成对环境光检测进而对照明设备进行光强调节。在通信方面是利用可见光作为通信媒介，厂房用灯在空间布局对可见光通信提供了良好的基础条件。可见光接收模块接收到上一节点发来的可见光信号后进行解调，若与该节点地址ID相符则执行指令，若不是则传送至可见光发送模块。根据图4可知，终端设备采用2个处理器，该单片机采用的是Silicon Labs的C8051F381，有25个端口I/O，2 304B数据RAM，32 kB Flash，4个16位计数器/定时器。另外，具有丰富的外设接口，支持USB 2.0、SPI、UART串口等，能够满足系统需要的所有功能，同时价格低廉。BLE模块用来与外部通信终端连接，在智能工厂的管理系统中发挥着访问数据库的作用。

如图5所示，该系统是要将所有的终端设备连接成一个闭环的通信网络。我们知道厂房灯安装间距一般都在10 m范围以内，此时还应使可见光发送模块发射功率达到3 W左右，才可保证可见光通信速率达到40 Mbps左右。这一中速的通信网络可以满足较多的用户访问量，实现大量数据的访问，对推广智能工厂奠定一个良好的通信基础。闭环的通信回路还可按照“节点加一”规则进行灯具地址自动编写，省去预设地址的工作量。

图4 终端设备硬件电路框架Fig.4 Terminal hardware circuit framework

图5 终端设备(节点)链路示意图Fig.5 Schematic diagram of terminal equipment link

2.2软件设计

1)智能网关软件设计。智能网关软件的主要功能包括：对子网控制单元或者远程控制单元的接入管理；终端设备与远程控制单元间的信息交换；提供人机交互接口以及实现管理控制，如图6所示。

系统首先进行初始化，包括对子网单元的检测及远程管理终端单元的接入管理等，然后对外部设置进行读取，判断执行控制模式。

(i)如果为“自动控制”模式，则设置期望光强值，保存期望光强值，发送“光强查询”信息子网控制单元，所述“光强查询”信息包含数据包目的地址信息。读取反馈信息，获取光强值信息。计算所需控制输出值，发送“光强设定”信息到子网控制单元。设置控制定时器初值，等待控制定时器中断后，发送“光强查询”信息到子网控制单元。

(ii)如果为“手动控制”模式，则直接检测网口端有无信息。若网口端有信号，则转发信息到子网控制单元。若无信息，则检测有无外部输入信号，若有操作信号输入，则设置亮度控制值，发送“光强设定”信息到子网控制单元，所述“光强设定”信息包含数据包目的地址信息和光强设定值，读取反馈信息，在图形窗口中显示反馈信息；若无信号则直接返回判断网口端有无信号。

图6 智能网关软件设计流程图Fig.6 Intelligent gateway software design flow unit

2)子网控制单元软件设计。子网控制单元是实现子网端终端设备与用户、服务器进行数据交换的桥梁，负责对网络内设备的管理，如图7所示。

图7 子网控制单元软件流程图Fig.7 Sub network control software flow unit

系统首先进行初始化，包括对终端设备的检测以及子网中继单元的接入管理等，建立单一系统构成的可见光通信网络，然后与智能网关建立连接，读取以太网接口信息，将读取的信息进行处理。处理后的信息通过子网中继单元的可见光通信发给终端设备。最后将终端设备的应答信息转发到智能网关控制单元。

3)远程控制单元软件设计。远程控制单元主要用于实现照明设备的灵活控制，为保证系统的安全性，远程控制单元的软件需具有用户验证功能。打开软件时，进行用户验证，在界面上显示设置信息、厂房信息，当单击对应厂房时，应即可显示当前房间内的照明控制设备、终端设备状态和亮度。运行时不仅能够完成根据设定对照明设备的开关和亮度调节，还要完成根据环境变化、人员稀疏做进一步节能管理的深化[2]。

3 VLC在智能工业照明的应用

根据前面内容的阐述可知，基于可见光通信技术的智能照明控制系统，不仅能作为智能照明管理系统，还可利用该系统平台建立一个快速的通信局域网网络，结合互联网后可实现远程操控及海量数据访问。可见光通信在智能工业照明领域的应用，与其他基于KNX总线、ZigBee蜂窝不同，其还可采用成像辅助定位算法实现高精度定位以用于智能机器人替代人工[3]；还可利用该智能照明控制系统与虚拟现实(VR)技术结合实现智能仓储中物品信息定位、自动化流水线上检测结果分析，引发未来在工业生产中掀起视觉工作界面的革命，以满足“工业4.0”对智慧工厂信息化、人性化建设需求[4]。

如图8所示，可见光信号从第一个终端设备开始传至下一个设备节点，每盏灯具间隔10 m，连接20个后回传至子网中继单元的可见光接收部分。根据前面所述单个可见光发送模块的发光功率在3 W左右，通过计算可知该厂房内的照明总功率除了每盏灯具的又增加了60 W左右的照明功率。

图8 厂房灯的通信网络示意图Fig.8 Schematic diagram of communication network for workshop lamp

4 结束语

在“工业4.0”时代下，信息技术将要经历一场技术创新革命，而智能工业照明作为LED照明应用的一部分，其既是被改造的对象，也为改造提供了一种方法和手段。基于可见光通信技术的智能照明控制系统与照明场景相结合充分发挥了可见光通信的技术优势，为未来智能工厂中的通信提供了一种方法，该通信网络传输速度高于传统智能照明控制系统，为更好地发挥虚拟现实带来的视觉感受提供了一种通信基础。

[1] 王喜文. 工业4.0:智能工业[J].物联网技术, 2013(12):3-4.

[2] 陈广，李晓卉，赵兵，等.基于EnOcean技术的智能照明控制系统设计[J].建筑电气,2015,34(2):26-29.

[3] 娄鹏华, 张洪明, 郎凯, 等. 基于室内可见光照明的位置服务系统[J].光电子与激光, 2012(12): 011.

[4] 邓健志，程小辉.基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法研究[J].电视技术,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

国家电网科技项目《面向电网业务应用的可见光通信技术研究》(合同编号：SGHAZZ00FCJS1500238)。