樓宇照明燈聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-08-29

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 1.引言

傳統(tǒng)照明系統(tǒng)控制模式單一、管理效率低下、不可分級調(diào)光，用電浪費現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wǎng)，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(fā)了一種基于ZigBee技術的樓宇燈聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有規(guī)模化燈具無線組網(wǎng)、多種模式燈光調(diào)節(jié)、環(huán)境智能感知、遠程監(jiān)控等特點，能夠有效的節(jié)省電能。本文介紹該樓宇燈聯(lián)網(wǎng)中遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，它實現(xiàn)了對照明設備的分散控制和集中管理，其特點在于遠程網(wǎng)絡化實時監(jiān)控，具有智能、定時和人工多種控制模式，應用數(shù)據(jù)庫管理燈具網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，還具備故障自動提醒功能。

2.燈聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構

本燈聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由ZigBee無線燈具網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關和遠程監(jiān)控中心三級組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.1 無線燈具網(wǎng)絡

無線燈具網(wǎng)絡由一系列ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點構成，路由節(jié)點既可以充當無線網(wǎng)絡信號的中繼節(jié)點，同時也可以作為終端節(jié)點工作；終端節(jié)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(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器中心節(jié)點一起形成一個網(wǎng)狀拓撲結構[5]的ZigBee網(wǎng)絡，它具有良好的擴展性，最多可容納65000多個節(jié)點。協(xié)調(diào)器中心節(jié)點負責存儲整個網(wǎng)絡信息和管理所有路由節(jié)點、終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，它通過RS232串口將各節(jié)點回傳的數(shù)據(jù)按先后順序發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關，當協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到嵌入式網(wǎng)關發(fā)送過來的控制指令時，它會解析指令的設備地址，節(jié)能與環(huán)保，根據(jù)地址控制相應節(jié)點設備。

2.2 嵌入式網(wǎng)關

嵌入式網(wǎng)關是實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡化監(jiān)控的關鍵設備，它集數(shù)據(jù)無線收發(fā)、數(shù)據(jù)協(xié)議轉換與Internet通訊功能于一身，使無線燈具網(wǎng)絡和以太網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫融合。ZigBee協(xié)調(diào)器中心節(jié)點通過RS232串口與嵌入式網(wǎng)關相連，行業(yè)資訊，網(wǎng)關提取串口的有效數(shù)據(jù)后重新封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過Internet發(fā)送給監(jiān)控中心；當網(wǎng)關接收到Internet發(fā)送過來TCP/IP數(shù)據(jù)包，照明資質(zhì)，它解析數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)并封裝成串行協(xié)議數(shù)據(jù)包，由協(xié)調(diào)器中心節(jié)點將網(wǎng)關的數(shù)據(jù)發(fā)送給燈具網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)了無線燈具網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的雙向通訊。

2.3 遠程監(jiān)控中心

遠程監(jiān)控中心是無線燈具網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理中心，負責進行遠程監(jiān)控、采集信息并進行數(shù)據(jù)處理、管理后臺數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。監(jiān)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡系統(tǒng)進行分權限管理；控制模塊實現(xiàn)對燈具網(wǎng)絡的智能調(diào)控、定時調(diào)控和人工調(diào)控，還能對網(wǎng)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(tài)并借助人機交互界面展示給用戶；數(shù)據(jù)庫模塊負責保存用戶信息、相關配置信息和燈具網(wǎng)絡的歷史數(shù)據(jù)；當監(jiān)控軟件出現(xiàn)通訊故障或者燈具出現(xiàn)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(wǎng)關進行遠程數(shù)據(jù)交換。

3.照明光源設計

照明光源采用既節(jié)能又環(huán)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(xù)性調(diào)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(qū)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(diào)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(qū)動電路的設計如圖2所示：根據(jù)實際需求可設計多路驅(qū)動，驅(qū)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(diào)節(jié)的燈具，低色溫光源能量集中在紅輻射區(qū)域，俗稱暖光，高色溫光源能量集中在藍輻射區(qū)域，俗稱冷光。

4.嵌入式網(wǎng)關設計

嵌入式網(wǎng)關基于嵌入式linux操作系統(tǒng)，網(wǎng)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(nèi)核，主頻可達667MHz。以該芯片為核心的網(wǎng)關硬件結構如圖3所示：

網(wǎng)關軟件基于LwIP（輕量級的TCP/IP協(xié)議）和串行協(xié)議，采用C/S的開發(fā)模式實現(xiàn)無線燈具網(wǎng)絡和以太網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交互。網(wǎng)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(yè)，分別用于實時監(jiān)聽Internet客戶端數(shù)據(jù)和無線燈具網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關程序設置ComReadyRead和TcpReadyRead信號分別用于監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，當串口有數(shù)據(jù)時，觸發(fā)ComReadyRead信號，該信號通知串口子程序調(diào)用ComReadAllData (QByteAr ray Data)函數(shù)讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，然后對所讀取的數(shù)據(jù)進行校驗：判斷數(shù)據(jù)的起始幀SOF值是否為0FE，其次再判斷數(shù)據(jù)長度幀（LEN）和接收的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的校驗位對比。若數(shù)據(jù)校驗結果正確，則保存數(shù)據(jù)并調(diào)用Socket服務端子程序函數(shù)TcpSendData(QByteArrayData)向遠程客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，否則丟棄該數(shù)據(jù)。當網(wǎng)關收到遠程客戶端發(fā)送的控制指令時，會觸發(fā)TcpReadyRead信號，該信號通知Socket服務端子程序調(diào)用TcpRead AllData(QByteArray Data)讀取Socket緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)校驗，若校驗結果正確調(diào)用ComSendData(QByteArray Data)向協(xié)調(diào)器中心節(jié)點發(fā)送指令控制無線燈具網(wǎng)絡。網(wǎng)關程序工作流程如圖4所示：

5.遠程監(jiān)控軟件設計