樓宇照明燈聯網遠程監控系統的設計

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-08-29

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 1.引言

傳統照明系統控制模式單一、管理效率低下、不可分級調光，用電浪費現象顯著，室外照明，而且線路布局復雜、不便于維護和擴展。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有低復雜度、自組織、低數據速率、低成本等特點，并且具有良好的擴容性[2-4]。采用ZigBee技術建網，能夠簡化樓宇自動化設備線路設計，便于對設備的分散控制和集中管理。我們開發了一種基于ZigBee技術的樓宇燈聯網系統，具有規�；療艟邿o線組網、多種模式燈光調節、環境智能感知、遠程監控等特點，能夠有效的節省電能。本文介紹該樓宇燈聯網中遠程監控系統的設計與實現，它實現了對照明設備的分散控制和集中管理，其特點在于遠程網絡化實時監控，具有智能、定時和人工多種控制模式，應用數據庫管理燈具網絡數據，還具備故障自動提醒功能。

2.燈聯網系統結構

本燈聯網系統由ZigBee無線燈具網絡、嵌入式網關和遠程監控中心三級組成，系統結構如圖1所示。

2.1 無線燈具網絡

無線燈具網絡由一系列ZigBee路由節點和終端節點構成，路由節點既可以充當無線網絡信號的中繼節點，同時也可以作為終端節點工作；終端節點可以是LED燈具設備，也可以是無線開關設備，還可以是紅外傳感器、照度傳感器和溫度傳感器的集成設備。這些節點與ZigBee協調器中心節點一起形成一個網狀拓撲結構[5]的ZigBee網絡，它具有良好的擴展性，最多可容納65000多個節點。協調器中心節點負責存儲整個網絡信息和管理所有路由節點、終端節點的數據，它通過RS232串口將各節點回傳的數據按先后順序發送給嵌入式網關，當協調器節點接收到嵌入式網關發送過來的控制指令時，它會解析指令的設備地址，節能與環保，根據地址控制相應節點設備。

2.2 嵌入式網關

嵌入式網關是實現遠程網絡化監控的關鍵設備，它集數據無線收發、數據協議轉換與Internet通訊功能于一身，使無線燈具網絡和以太網絡實現無縫融合。ZigBee協調器中心節點通過RS232串口與嵌入式網關相連，行業資訊，網關提取串口的有效數據后重新封裝成TCP/IP數據包，通過Internet發送給監控中心；當網關接收到Internet發送過來TCP/IP數據包，照明資質，它解析數據包的有效數據并封裝成串行協議數據包，由協調器中心節點將網關的數據發送給燈具網絡，從而實現了無線燈具網絡和以太網的雙向通訊。

2.3 遠程監控中心

遠程監控中心是無線燈具網絡系統的管理中心，負責進行遠程監控、采集信息并進行數據處理、管理后臺數據和發送控制命令。監控軟件的組成主要包括權限管理模塊、控制模塊、設備信息模塊、數據庫模塊、自動報警模塊和底層通訊模塊。權限管理模塊賦予用戶不同的操作權限，對燈具網絡系統進行分權限管理；控制模塊實現對燈具網絡的智能調控、定時調控和人工調控，還能對網絡進行單燈控制或者批量控制；設備信息模塊實時采集燈具狀態并借助人機交互界面展示給用戶；數據庫模塊負責保存用戶信息、相關配置信息和燈具網絡的歷史數據；當監控軟件出現通訊故障或者燈具出現異常時，自動報警模塊會自動彈出相關信息提醒用戶處理故障；底層通訊模塊負責與網關進行遠程數據交換。

3.照明光源設計

照明光源采用既節能又環保的LED作為照明設備，而且它具有工作電壓低、可控性強、支持連續性調光的特點，能夠滿足智能化的樓宇照明控制需求。LED照明燈具的驅動采用LM3409作為主控芯片，該芯片最大能夠提供5A的大電流輸出，并且支持脈寬調制（PWM）工作模式，能夠提供靈活多變的控制模式滿足樓宇照明在線控制需求。照明光源驅動電路的設計如圖2所示：根據實際需求可設計多路驅動，驅動電路可接不同顏色的LED燈珠，設計成單色燈具，彩色燈具和色溫燈具。其中色溫燈具是指色溫可調節的燈具，低色溫光源能量集中在紅輻射區域，俗稱暖光，高色溫光源能量集中在藍輻射區域，俗稱冷光。

4.嵌入式網關設計

嵌入式網關基于嵌入式linux操作系統，網關采用Samsung公司32位的RISC嵌入式處理器（S3C6410）作為主控芯片，該芯片基于ARM1176JZF-S內核，主頻可達667MHz。以該芯片為核心的網關硬件結構如圖3所示：

網關軟件基于LwIP（輕量級的TCP/IP協議）和串行協議，采用C/S的開發模式實現無線燈具網絡和以太網絡數據的交互。網關應用程序包含Socket服務端子程序和串口子程序，LED照明企業，分別用于實時監聽Internet客戶端數據和無線燈具網絡的節點數據。

網關程序設置ComReadyRead和TcpReadyRead信號分別用于監聽串口數據和Internet網絡數據，當串口有數據時，觸發ComReadyRead信號，該信號通知串口子程序調用ComReadAllData (QByteAr ray Data)函數讀取串口緩沖區的數據，然后對所讀取的數據進行校驗：判斷數據的起始幀SOF值是否為0FE，其次再判斷數據長度幀（LEN）和接收的數據長度是否一致，最后通過累加和校驗算法[6]求出校驗位，并與接收數據的校驗位對比。若數據校驗結果正確，則保存數據并調用Socket服務端子程序函數TcpSendData(QByteArrayData)向遠程客戶端發送數據，否則丟棄該數據。當網關收到遠程客戶端發送的控制指令時，會觸發TcpReadyRead信號，該信號通知Socket服務端子程序調用TcpRead AllData(QByteArray Data)讀取Socket緩沖區的數據，然后進行數據校驗，若校驗結果正確調用ComSendData(QByteArray Data)向協調器中心節點發送指令控制無線燈具網絡。網關程序工作流程如圖4所示：

5.遠程監控軟件設計