聶章龍

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇常州213164）

隨著中國經(jīng)濟的高速增長，直接帶動了中國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，由此帶動建筑照明（LED）、建筑電氣市場巨大需求，并以每年30%的速度增長，同時，在倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排趨勢下，為建筑照明（LED）、建筑電氣產(chǎn)品和技術(shù)提供了廣闊的市場機遇，可以說，中國建筑照明（LED）暨、建筑電氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于歷史最好時期。據(jù)資料統(tǒng)計，2009年江蘇省的城市照明的投入在5億人民幣以上，其中控制器部分在1億人民幣以上。目前在建筑照明中很少能由一臺服務(wù)器通過物聯(lián)網(wǎng)控制到建筑物內(nèi)的單燈和自動檢測到單燈故障。針對這種狀況，本文充分研究并融合傳感網(wǎng)技術(shù)、電信網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑照明的智能化與精細化節(jié)能管理控制，從根本上解決傳統(tǒng)建筑照明的燈檢、單燈控制、節(jié)能、信息跟蹤等問題，是現(xiàn)代建筑照明的根本解決方案。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)按照分層軟、硬件設(shè)計思想，設(shè)計出“終端層—電控柜主節(jié)點層—服務(wù)器層”的3層結(jié)構(gòu)，采用GPRS技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器層與電控柜主節(jié)點層之間的通信，采用ZigBee技術(shù)通過自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)編址和通信協(xié)議實現(xiàn)電控柜主節(jié)點層與終端層之間的通信，從而實現(xiàn)利用一臺計算機控制到樓宇或整座建筑單燈的夢想，系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)在有效網(wǎng)絡(luò)編址基礎(chǔ)上，提供1/2、1/3等控制模式和按地球經(jīng)緯度控制模式，實現(xiàn)了節(jié)能。

1.1 終端層設(shè)計

1）終端層硬件設(shè)計

終端層的硬件部分主要由ZigBee照明終端控制器組成，ZigBee照明終端控制器選用飛思卡爾公司的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準的MC13213作為主控芯片[1]。ZIGBEE照明燈終端控制器的硬件設(shè)計主要包括：MC13213主控器最小系統(tǒng)、天線系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的設(shè)計。MC13213最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2）終端層軟件設(shè)計

ZigBee照明終端控制器的主要功能有：接收高端發(fā)送的不同方式的控制命令，控制照明燈實現(xiàn)降功率功能；采集照明燈工作電壓電流狀態(tài)并上傳，供高端查看決策用。為了實現(xiàn)照明智能“三遙”（遙控、遙測、遙信），需要制定出合理有效的通信協(xié)議，本系統(tǒng)通過自主研發(fā)的SDWSN-IP4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并能夠根據(jù)不斷改變的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進行動態(tài)拓撲[2]，對同一網(wǎng)段內(nèi)命令進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，維持整個網(wǎng)絡(luò)的有效通信。

圖1 建筑照明智能無線控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent wireless control system for building lighting

圖2 MC13213最小系統(tǒng)原理Fig.2 Minimum system principle of the MC13213

SDWSN-IP4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用類似于以太網(wǎng)中IP4地址的編址機制，使用32位（4字節(jié)）確定一個無線傳感器節(jié)點的地址。其中，一些位可以用于網(wǎng)段、類型、組等定義，以便為網(wǎng)段、類型、組的整體命令提供地址機制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是SDWSN-IP4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最小控制單元，可以接收并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，也可返回自身狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編址機制如表1所示。

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編址機制

表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議—網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編址機制Tab.1 Wireless sensor network protocols-network node addressing mechanism

2）幀格式

為了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的更容易控制和編碼解碼的方便，將數(shù)據(jù)幀定義為定長，這樣在功能完全實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，程序和協(xié)議的設(shè)計都會變的很簡單。自主研發(fā)的協(xié)議規(guī)定一個數(shù)據(jù)幀的長度固定為11個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀包括兩種類型的幀：命令幀和狀態(tài)幀。命令幀主要是將命令字段定義在幀中，傳輸?shù)较鄬?yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點執(zhí)行命令。命令包括全網(wǎng)絡(luò)的命令和單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的命令，全網(wǎng)絡(luò)的命令表示該命令網(wǎng)絡(luò)的所有或多個節(jié)點都要執(zhí)行，單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點命令表示命令只是針對單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的。為確保控制的有效性，需要加上狀態(tài)幀來及時取得照明燈的狀態(tài)進行查看。狀態(tài)幀中包含單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)。

命令幀的格式如表2所示。

表2 命令幀的格式Tab.2 Format of the comm and frame

①幀號：在同一網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則是：收到一個新的幀后轉(zhuǎn)發(fā)一次，如果立刻又收到這個幀則不進行轉(zhuǎn)發(fā)。自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)采用的是幀號機制。高端提供的數(shù)據(jù)幀中包含一個幀號字段，唯一的標(biāo)志了一個幀，并給幀號提供了位示圖的標(biāo)志置位機制。一個位代表一個幀號，置位該位即表示已轉(zhuǎn)發(fā)過。

②網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址：表2所示的4個字節(jié)。

③命令字節(jié)：命令字節(jié)用于表示執(zhí)行的命令類型，這是自定義的。

④控制字節(jié)：照明燈控制時所需的其他的參數(shù)，如節(jié)能控制方式等。

1.2 電控柜主節(jié)點層設(shè)計

1）電控柜硬件設(shè)計

電控柜主節(jié)點層的硬件主要是由GPRS-ZIGBEE路由器構(gòu)成，其硬件總體框圖如圖3所示。其中AD模塊和繼電器模塊用于路端控制箱的控制和監(jiān)測。SPI、IIC接口便于擴展，使得硬件具有靈活性和可擴展性。MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點將照明燈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收發(fā)處理模塊，該模塊以32位ColdFire系列芯片MCF52223為核心[3]，對數(shù)據(jù)處理后封幀，然后通過3G/2.5G發(fā)送到服務(wù)器層。3G模塊使用華為公司的WCDMA模塊EM770W，2.5G模塊使用華為公司的GPRS模塊EM310。

圖3 GPRS-ZIGBEE路由器硬件總體設(shè)計Fig.3 The hardware design of GPRS-ZIGBEE router

2）電控柜軟件設(shè)計

GPRS-ZIGBEE路由器主要包括兩個部分的MCU方軟件設(shè)計：MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點設(shè)計和數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊設(shè)計。

①MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點的軟件設(shè)計

在設(shè)計時，我們采用面向硬件對象和程序模塊化封裝的設(shè)計思想，對軟件的工程文件進行組織，將與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序和上層功能性程序分割開來。對各功能模塊中文件的劃分同樣充分遵循了面向硬件對象和模塊化劃分的思想，極大地提高軟件的通用性和可復(fù)用性。主控節(jié)點的工程設(shè)計與ZIGBEE照明燈終端控制器軟件設(shè)計基本相同，這里不再贅述。

②數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊的軟件設(shè)計

該模塊主要功能是接收MC13213照明燈網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后通過3G或2.5G模塊發(fā)送到Internet上監(jiān)控中心的服務(wù)器[4]。所以該模塊作為一個網(wǎng)關(guān)，是照明燈無線傳感網(wǎng)絡(luò)和Internet的接口。無線收發(fā)數(shù)據(jù)的主要程序代碼如下所示[5]：

/*==========函數(shù)功能:發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)===========*/

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

{

UINT8 i，u8Status，tempdata[128]；

TxPacket tempTxPacket；//定義發(fā)送的數(shù)據(jù)包

RFRXDisableRequest（pRTxMode）；

/*1.設(shè)置數(shù)據(jù)長度和存儲位置*/

tempTxPacket.m_u8DataLength=len；

tempTxPacket.m_pu8Data=tempdata；

/*2.設(shè)置數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)*/

f

or（i=0；i＜len；i++）

tempTxPacket.m_pu8Data[i]=data[i]；

/*3.發(fā)送數(shù)據(jù)包*/

u8Status=RFPDDataRequest（&tempTxPacket，pRTxMode）；//將封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去

RFRXEnable（pRTxMode）；

return u8Status；

}

/*========函數(shù)功能:接收數(shù)據(jù)函數(shù)=========*/

{

UINT8 u8DataLength=0；//RX包的數(shù)據(jù)長度

UINT8 nLogicState=（*nStatusContent）&RX_IRQ_MASK；

if（nLogicState!=0）

{

MC13192_RTXEN=0；//MC13192 RTXEN管腳設(shè)置無效

nLogicState=（*nStatusContent）&CRC_VALID_MASK；//判斷數(shù)據(jù)的有效性

if（nLogicState==0）//如果是無效的CRC，重新使能接收器

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

else//CRC校驗正確

{

u8DataLength=（UINT8）（SPIDrvRead（RX_PKT_LEN）&0x7F）；//讀取接收到數(shù)據(jù)的長度

if（u8DataLength＜RXTX_MIN_LEN）//判斷數(shù)據(jù)的長度是否有效

{

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

SPIDrvWrite（MODE_ADDR，（*nStatusContent））；

MC13192_RTXEN=1；

return 0；

}

（*pRTxMode）=IDLE_MODE；//恢復(fù)到idle模式

rxPacket-＞m_u8DataLength=u8DataLength；//讀取有效數(shù)據(jù)

rxPacket-＞m_u8Status=SUCCESS；

（void）RAMDrvReadRx（rxPacket）；

EnableInterrupt（）；

（*nStatusContent）=0；

return 1；

}

}

}

1.3 服務(wù)器層設(shè)計

服務(wù)器層的設(shè)計主要是指城市建筑照明控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計，該軟件基于Windows 2003平臺，以大型商用數(shù)據(jù)庫SQL Server2005為基礎(chǔ)，采用B/S模式。我們將其設(shè)計為兩個部分，即通信軟件部分和管理軟件部分，兩者之間通過實時數(shù)據(jù)庫進行通信。

通信軟件通過和GPRS/WCDMA的通信來負責(zé)獲取取數(shù)據(jù)庫中的還未處理的控制指令或?qū)顟B(tài)信息指令放入到數(shù)據(jù)庫。該軟件使用多線程的異步Socket機制，使得多個樓端通信裝置可以和服務(wù)器的同一個端口通信，此時通信軟件只需要維護一張哈希表，記錄樓端通信裝置（TCP客戶端）和它對應(yīng)的Socket句柄。減少了開發(fā)的復(fù)雜度，同時也提高了穩(wěn)定性。管理軟件主要負責(zé)管理數(shù)據(jù)庫和將控制指令放入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫和通信軟件進行數(shù)據(jù)傳輸。為了更好的發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能功能，在進行管理軟件設(shè)計時，積極響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策，通過市場調(diào)研，挖掘城市建筑照明中的節(jié)能潛力，提出多種節(jié)能控制模式[5]，以下簡單列舉幾種。

1）1/2、1/3等控制模式

本系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)單燈控制，在業(yè)主和客人不太多的情況下，可以采用隔一盞、隔兩盞亮燈的模式。這樣，既能滿足地面基本光照，又能達到節(jié)能的目的。

2）按地球經(jīng)緯度控制模式

由于地球經(jīng)緯度的差異，使得各地的日出日落時間不一樣，同一地方不同季節(jié)的日出日落時間也不一樣。如果統(tǒng)一設(shè)定開關(guān)燈時間，既浪費能源，又不能達到很好的控制效果。比如說，某市一月中旬的日出時間為07:21:00，日落時間為17:33:00，而七月中旬的日出時間為05:28:00，日落時間為19:28:00。如果統(tǒng)一設(shè)定開燈時間為17:30:00，那么到七月份，就會造成很大的資源浪費。基于這種情況，本文提出了按日出日落時間自動調(diào)整開關(guān)燈時間。將當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r間表導(dǎo)入系統(tǒng)，設(shè)置開關(guān)燈偏移時間。這樣隨著季節(jié)的變動，開關(guān)燈時間會自動的隨日出日落時間的變化而變化。開燈偏移量與日落時間決定了開燈時間，即開燈時間=日落時間+開燈偏移量；關(guān)燈偏移量與日出時間決定了關(guān)燈時間，即關(guān)燈時間=日出時間+關(guān)燈偏移量。

2 結(jié)論

系統(tǒng)完備功能的實現(xiàn)靠的是可靠穩(wěn)定的硬件、考慮周全的軟件協(xié)議和良好的架構(gòu)思想。本系統(tǒng)按照分層軟硬件設(shè)計思想，采用終端層、電控柜主節(jié)點層和服務(wù)器層的3層工作結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，將ZigBee技術(shù)[7]、2.5G/3G通信技術(shù)與Internet Web技術(shù)可靠的融合到整個系統(tǒng)開發(fā)過程，從而達到對城市建筑照明的“面—線—點”的智能化節(jié)能控制。系統(tǒng)具有以下幾個特色和創(chuàng)新點：

1）系統(tǒng)實現(xiàn)了專用傳感網(wǎng)、電信網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的可靠融合應(yīng)用；

2）自主設(shè)計硬件體系：采用Freescale公司的ZigBee無線射頻芯片MC13213設(shè)計無線傳感網(wǎng)通信模塊，主要用于解決智能建筑終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題；

3）提出了適用于照明燈具控制的ZigBee網(wǎng)絡(luò)編址算法及路由協(xié)議，使得分散的照明燈構(gòu)成一個自適應(yīng)動態(tài)拓撲的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式靈活，便于移植。

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

[2] 劉廣林，汪秉文，唐旋來.基于Zi gBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與數(shù)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].

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[5] 宋紹劍，薛春偉.基于Zigbee的城市路燈智能監(jiān)控終端控制器設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，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] 胡開明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，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] 萬磊，章勇，李劍.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居設(shè)計[J].電子科技，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.