楼宇照明灯联网远程监控系统的照明设计亮化设计
浏览： 发表时间：2018-04-27 08:36:21
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。
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***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。
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：
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0FE，其次再判断数据长度帧（LEN）和接收的数据长度是否一致，***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(QByteArrayData)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：
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。
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
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。
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***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。
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：
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0FE，其次再判断数据长度帧（LEN）和接收的数据长度是否一致，***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(QByteArrayData)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：
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。
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。
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