基于Niagara的智能照明系统实验平台的设计与搭建

张 慧，魏建平，何 林，刘品杰，张 昊

（山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南 250101）

0 引 言

高校的招生规模越来越大，在校生人数急剧增加，高校教室数量也越来越多，考虑到教室用途复杂，照明系统能耗占比随之上升。但由于当前各高校的照明系统多采用传统手动控制模式，使得管理人员无法对每个教室的照明按照实际情况进行实时控制[1]，传统照明控制模式存在较大的局限性，主要依赖管理人员、教师、学生的责任意识[2]，无法实现按需控制、按场景控制，导致照明系统不仅没有提高舒适度、便利性，反而造成了极大的电能浪费。为响应“建设节约型校园”的号召[3]，我们在文献[4]中研发设计了一套基于ZigBee的教室智能照明系统，控制系统依据获取的光照度、时间表、教室人数、教室用途4个控制条件，实现了照明灯具的精细化管理。充分利用自然光，达到智能调控、有效节能的目的，设置了多种灯光模式，辅助教师实现一键转换，提高上课效率[4]。

本文利用光照度传感器、灯光控制器等完成了智能照明系统实验平台的搭建；采用多协议、模块化编程、可用Web浏览器访问Niagara软件作为基础，实现了灯光的智能调控与信息收集储存。

1 实验平台设计

1.1 系统设计思路

本平台设计的教室照明节能控制系统包括一级控制中心、二级教室网关控制器、三级灯管控制器，配合光照度传感器、人数检测器，实现了以光照度、时间、人数、教室状态作为控制条件，对教室灯管进行个性化智能调控。系统采用ZigBee无线通信，减少系统改造中布线多、重新布线[5]等问题。ZigBee网络具备自愈合功能，当网络系统中某个设备损坏后，其他设备可避开损坏的设备进行联络。教室网关控制器与楼层交换机之间通过ZigBee无线通信，楼层交换机与控制中心通过原有的校园有线网络连接，形成一个树形网络拓扑[6-7]。以ZigBee为传输媒介，形成控制中心集中管控、教室网关控制器和灯管控制器分散控制的三级管控体系[4]。

一级控制中心主要由交换机和中控电脑组成，交换机安置在各楼层内，用于联络本层教室网关控制器；中控电脑安装在一楼控制室内，用于集中管理。控制中心可在应急状态下强制转换教室照明模式[8]；控制中心与教务管理系统联动，实时获取教室使用信息和学生上课安排；控制中心实时获取教室网关的参数信息，依据预先设定好的算法，智能管控照明灯具，使资源得到合理利用。

二级教室网关控制器安装在教室内的讲台控制台上，主要通过ZigBee连接人数检测器和灯光控制器，获取光照强度、教室人数信息以及灯管开闭状态。另外设有投影仪模式、自习模式、板书模式、上课模式以及自定义模式等照明场景，实现一键转换，轻松便捷。

三级灯光控制器安装在教室每根灯管上，由ZigBee模块、光照度传感器、继电器等组成，完成照明灯具的开关控制。

1.2 实验平台设计思路

为验证系统设计控制逻辑的可行性，本文搭建了一个实验台用于模拟系统的核心功能。

（1）由于实验台安装空间有限，在有限的空间模拟多区域灯管，灯光之间的相互影响过大，不利于判断，因此设计的实验平台采用2个灯泡来模拟教室某区域，通过光照度传感器实际获取的光照值作为变量。另2个灯泡采用2个不同的模拟设置信号来替代其他两个区域的光照值。

（2）因实验平台体积较小且不存在穿越楼层等问题，故采用直接连线方式替代原设计中的ZigBee无线连接，不影响控制功能的实现。

（3）采用智能照明控制器替代原设计中的灯光控制器，验证各种场景模式的切换功能。

2 实验平台的搭建

2.1 平台系统架构

实验平台的硬件配置包括感知层、传输层、控制层[9]。控制层主要包括1台Niagara网络控制器、I/O模块。传输层主要为Modbus（JACE8000控制器与传感器、I/O模块通信）、TCP/IP（JACE8000控制器与PC服务器通信）等网络协议设备。感知层包括人数传感器与智能灯光控制设备等现场设备。系统架构如图1所示，实验平台实物如图2所示。

图1 系统架构

图2 实物

2.2 Niagara程序设计

2.2.1 Niagara软件介绍

Niagara Framework（简称Niagara）是美国Tridium公司基于Java开发的开放式软件架构，可以集成各种设备和系统，形成统一的平台[9-10]，Niagara支持的通信协议包括Modbus、Lon Works、ZigBee等。用户使用该程序，无需考虑特定的协议、产品或某项技术[11]，架构简单，且可以通过标准Web浏览器实现远程网络访问与控制功能，系统适应性极强[12]。平台内部集成各种组件、对象模型、数据库、数据查询、日志查询、报警管理、远程诊断与维护等功能，大大降低了开发者的研发时间与维护成本[13-14]。

2.2.2 编程设计

基于Niagara软件平台进行应用程序开发，可实现数据画面实时显示、数据异常设备报警、历史数据储存、自控手控切换、用户自主更改调度、Web浏览器查看数据变化与设备状态等功能[9]。

（1）Wire Sheet编程

创建3个Boolean Writable点，分别命名为L-1区域、L-2区域、L-3区域，代表3个区域的灯泡；创建2个Ramp点，分别命名为Ramp1、Ramp2，用于模拟2个区域灯泡感受的光照值变化；创建3个Numeric Writable点，分别命名为Ⅰ区域室内光照度、Ⅱ区域室内光照度、Ⅲ区域室内光照度，其中2个用于接收Ramp点输入的模拟光照值，另外一个用于接收实验平台光照度传感器传递的实际光照值；创建3个Numeric Constant点作为每个区域的光照值条件，分别命名为Ⅰ区域设定值、Ⅱ区域设定值、Ⅲ区域设定值；创建3个Tstat点，分别命名为On Off Controler 1、On Off Controler 2、On Off Controler 3，用于判断光照值与设定值是否允许开启灯泡；再次创建3个Tstat点与1个Ramp点，分别命名为Ramp Projector、Ⅰ区域投影仪模式、Ⅱ区域投影仪模式、Ⅲ区域投影仪模式，用于验证教师通过网关控制器实现一键模式转换，利用Ramp点模拟教师的个人主观不确定性；创建3个Or点，分别命名为Or1、Or2、Or3，结合教室使用模式与光照条件进行第1步是否开启灯泡的判断；创建1个Boolean Schedule点，命名为时间表，用于存储教室课表信息以及设定时间条件；创建3个And点结合Boolean Schedule点与经过Or点判断的Boolean Writable点进行最后是否开启灯泡的判断；最后创建一个Boolean Writable点，命名为控制权，便于设置Px视图中控制权的切换。BoWen105Wire Sheet点的创建汇总表见表1所列。

表1 BoWen105Wire Sheet点的创建汇总表

Ramp1、Ramp2点模拟光照值，因此单位（Units）设置为Lx（勒克斯）；根据文献[8]中介绍的教室各区域采光值，本实验平台将模拟光照值的最大值（Max）、最小值（Min）分别设置为900 Lx、0 Lx与700 Lx、0 Lx[15]；为节约实验时长，将周期（Period）设置为1 h；波形选择倒锯齿状（Inverted Saw Tooth）；幅值（Amplitude）设置为15；偏置量（Off Set）设置为0；在上述设置中，设置Period为1 h，将更新间隔（Update Interval）设置为10 min，一个周期该组件可以输出6个数据，可以模拟实际生活中多个时间段的光照值。

Ramp Projector点用于模拟教师个人主观的不确定性，因此将最大值、最小值分别设置为-1、1，不设单位，将周期（Period）设置为1 h；波形选择倒锯齿状（Inverted Saw Tooth）；偏置量（Off Set）设置为0。

Numeric Writable点用于接收Ramp点的输入，并输出光照值。其设置比较简单，将单位（Units）设置为Lx（勒克斯）；将最大值（Max）、最小值（Min）统一设置为900 Lx、0；将精度（Precision）设置为2。重点在于将实验台的光照度传感器收集的真实光照值传入Niagara系统。将IO-28U拨码开关调至Modbus RTU模式，在Station内创建Modbus Async Network，将IO-28U加入后创建光照度传感器代理点，类型修改为Float Type后与Wire Sheet视图中的Numeric Point点连接，便可将真实的外界光照值作为AI信号输入Niagara系统。

Numeric Constant点的单位（Units）设置为Lx（勒克斯）。为验证控制逻辑在多种设定中的可行性，Value未按照文献[4]中规定的300进行设置，而分别设置为200、400、600。

Boolean Schedule点内输入某间教室的课表，Default Output以及上课期间设置为On，每日的22:00至次日7:00以及节假日时间设置为Off。BoWen105Wire Sheet重要点的设置汇总见表2所列。

表2 BoWen105Wire Sheet重要点的设置汇总表

BW105灯管控制Wire Sheet编程图如图3所示。

图3 BW105灯管控制Wire Sheet编程图

（2）Px视图编程

为使管理人员能够更加直观了解单间教室当前的整体状态，本文以“BW105”为例进行了Px视图编写。通过Niagara软件的Station或登录标准Web浏览器可进入该界面查看，如图4所示。

图4 BW105教室状态Px编程图

为统一界面设计风格，通常需要在界面上有统一的标题格式或者统一风格的切换按钮[9]。

（a）创建一个新的文件夹，命名为“Home_Page”，在该文件夹下创建一个名为“Banner”的文件夹。然后为Banner文件夹创建一个新的Px视图。在Px视图右侧，找到Widget Tree侧边栏，展开Scroll Pane，将Canvas Pane剪切，删除Scroll Pane，将Canvas Pane粘贴到Root内，将Canvas Pane放到根目录[9]。

（b）打开Properties对话框，将尺寸修改为800×100，颜色选择绿色。在Kit Px调色板中拖动LogOff Button到右上角，拖动Refresh到左下角[9]。

（c）将Banner文件夹拖到视图内，打开Widget Wizard窗口，然后选择Bound Label，在Format Text内输入“%Current User： %user（）%”，将文本放到视图右下角，显示当前操作用户名。再次将Banner文件夹拖到视图内，打开Widget Wizard窗口，然后选择Bound Label，在Format Text内输入“%displayName%”，用于显示当前Px文件名。为使每个文件夹的Px视图可以显示相应的文件夹名称，需要将Label的绝对路径修改为相对路径。在Bound Label Binding中，打开Ord编辑器，将Ord修改为“slot：”即可。保存为“BannerPx”视图[9]。

（d）在“BoWen105”P x视图中添加“BannerPx”视图。

A.将L-1区域、L-2区域、L-3区域3个点拖入P x视图内，打开Make Widget Wizard对话框后，选择From Platelet选项，并选择KitPxN4svg内的Bulb，便于实时查看3个区域灯泡的开启状态。

将“L-1区域、L-2区域、L-3区域、Ⅰ区域室内光照度、Ⅱ区域室内光照度、Ⅲ区域室内光照度、Ⅰ区域投影仪模式、Ⅱ区域投影仪模式、Ⅲ区域投影仪模式”拖入Px视图，在Format Text内输入“%out.value%”。在Px视图空白位置创建Label，在Text区段内输入点的名称，并移至对应位置。

B. 为了更好分析教室照明状态以及及时修复故障LED灯管，对相应组件添加了Alarm Ext和History Ext，相关记录可以以PDF文件形式导出到PC端。历史记录与报警记录界面如图5、图6所示。

图5 BW105 灯管报警界面

图6 区域历史光照度记录界面

历史记录设置：展开History调色板，将Extension中的Numerical Cov扩展加到Ⅰ区域室内光照度点上，对Numerical Cov扩展进行设置：Enable设置为Ture；Capacity设置为800；Change Tolerance设置为50。

报警记录设置：打开Services文件夹中Alarm Service的Wire Sheet视图，在该视图中添加一个新的Alarm Class组件，将其命名为High Priority Alarms，Priority设置为1、1、127、127。接着设置报警接收器，打开Alarm中的Recipients文件夹，将Console Recipient添加到Alarm Service中，重新命名为All_Alarms，将Default Alarm Class分类器的Alarm与High Priority Alarms分类器的Alarm连接到All_Alarms的Route Alarm。打开Ⅰ区域室内光照度点，在Alarm的Extension文件夹内添加OutOfRangeAlarmExt到Ⅰ区域室内光照度点的AX Property Sheet。将SourceName设置为“%parent.displayName%”，To Normal Text设置为“%alarmData.sourceName% is back to noemal range”，High Limit Text设置为“%alarmData.sourceName%＞% alarmDta.highLimit%!”，Low Limit Text设置为“%alarmData.sourceName%<%alarmDta.highLow%!”，勾选Low Limit Enable、High Limit Enable。这里High Limit设置为950，Low Limit设置为0，最后将Alarm Class设置为HighPriorityAlarms。然后此报警拓展复制到Ⅱ区域室内光照度、Ⅲ区域室内光照度。

随后将Boolean Schedule、Alarm Ext和History Ext拖入Px视图内，在Make Widget窗口内选择From Platelet，在KitPx调色板中选择HyperlinkButto，勾选位于向导左下角的Hyperlink方框，在Text区段添加相应名称，单击“OK”，创建按钮。

工作人员可以通过Hyperlink Button修改时间信息，及时更改当前教室的后期信息；教室故障灯管按钮与报警扩展进行超链接连接，查看教室灯管状态；通过教室人数按钮可以查看当前教室的人数，这是系统判断灯管开启的基本条件之一，由于平台未接入红外人数检测器，因此将3个区域的人数简易化看作满员。

C. 将控制权点拖入Px视图，选择Action选项，在右侧选择Emergency Active，点击后Wire Sheet视图中的控制权点转为On，使得系统的判断无法传递至灯泡的控制点，只能由人手动控制智能照明模块上的按钮，实现灯泡的启停。

（3）节能量Wire Sheet编程

为监控实验平台的电能节约量，编写了一个用于累计节能量的Wire Sheet程序，传统控制系统将时间表上的On、Off状态作为唯一控制条件；智能控制系统超链接至“BoWen105”Wire Sheet编程内的L-1区域灯、L-2区域灯、L-3区域灯。对两种系统的灯泡开启时间进行累计，由文献[4]可知，传统的荧光灯为40 W，实验平台采用的LED灯泡的功率为13 W，将累计时间乘以各自的功率然后相减，便可得到在实验时间内节省的电量；若乘以学校电费0.49元/（kW·h），将得到在实验时间内节省的电费。

先将“BoWen105”Wire Sheet编程中的Boolean Schedule点复制到本编程视图，作为传统控制系统的唯一控制条件。创建6个Boolean Writable点，分别命名为L-1区域 -Smart、L-2区域-Smart、L-3区域 -Smart，L-1区域-Tradition、L-2区域-Tradition、L-3区域-Tradition，代表智能控制系统的3个区域灯泡与传统系统的3个区域灯泡；创建6个Lead Lag Runtime点，分别命名为开启时间-Smart-1、开启时间-Smart-2、开启时间-Smart-3、开启时间-Tradition-1、开启时间-Tradition-2、开启时间-Tradition-3，用于累计6个区域的灯泡开启时间；创建3个Numeric Constant点，分别命名为功率-Smart、功率-Tradition、电费-School，用于表示实验平台LED灯泡的功率以及与LED灯泡亮度接近的荧光灯的功率和学校电费；创建2个Add点，3个Multiply点，1个Subtract点用于计算，分别命名为开启时间加和-Smart、开启时间加和-Tradition、电量-Smart、电量-Tradition、节约的电费、节约的电量。节能量Wire Sheet点的创建汇总见表3所列。

表3 节能量Wire Sheet点的创建汇总表

节能量Wire Sheet视图编程中最重要的设置是累计开启时间的设置。打开L-1区域-Smart的属性视图，将Extension文件夹内的DiscreteTotalizerExt组件拖到L-1区域-Smart的名称上，添加DiscreteTotalizerExt扩展功能到L-1区域-Smart。在导航栏内，展开L-1区域-Smart，在L-1区域-Smart中拖动DiscreteTotalizerExt，将其放到L-2区域-Smart、L-3区域-Smart、L-1区域-Tradition、L-2区域-Tradition、L-3区域-Tradition内，快速将扩展功能复制到各Boolean Writable点上。返回Wire Sheet视图，右击L-1区域-Smart，在菜单中选择Composite，在Composite Editor内双击添加Elapsed Active Time与Reset Elapsed Active Time，将Elapsed Active Time重命名为Runtime，单击“OK”保存。对其余5个Boolean Writable点进行同样的操作。将Boolean Writable点的Runtime分别接入Lead Lag Runtime的RuntimeA，可收集各区域灯泡的开启时间[9]。节能量Wire Sheet重要点的设置汇总见表4所列。

3 结 语

本文设计了基于Niagara软件的智能无线照明系统实验平台，从平台设计、平台搭建、软件设计等方面对其进行了介绍。利用Niagara软件实现了对教室灯管启闭、时间设置、历史记录、故障报警等功能的控制，验证了原系统设计中的四重控制策略。但实验平台仍存在许多不足，如未能采用ZigBee无线传输，空间过小只能采用模拟分区；仅实现了投影仪模式，未能对全部模式进行综合研究；未加入人数检测器，仅将人数看成一个常量等，后期我们将继续完善。