基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

莫　夫，李　超，余　亮，聶　軍

（廣東科技學(xué)院計算機(jī)系，廣東 東莞　523083）

基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

莫夫，李超，余亮，聶軍

（廣東科技學(xué)院計算機(jī)系，廣東 東莞523083）

針對國內(nèi)中小型LED照明企業(yè)的艱難處境和政府倡導(dǎo)低碳，綠色環(huán)保照明政策現(xiàn)狀，提出了一種基于電力載波通信技術(shù)的小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)的設(shè)計方案；采用微控制器、PLC芯片和傳感器構(gòu)建智能控制終端，實現(xiàn)對單燈電能、光強(qiáng)度等數(shù)據(jù)采集；集中器集成GPRS通信模塊負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程控制中心建立連接，控制終端與集中器通過電力線相連，實現(xiàn)PC端和移動端對LED照明設(shè)備的多平臺控制；重點闡述了智能控制終端的軟硬件設(shè)計、系統(tǒng)的自定義通信協(xié)議和遠(yuǎn)程控制方法；系統(tǒng)實測結(jié)果表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠、響應(yīng)時間短、成本低，易于進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。

電力載波通訊；集中器；智能照明；電能檢測；PLC芯片

0　引言

目前，隨著能源緊張問題的凸顯和政府對低碳節(jié)能健康環(huán)保的高度重視，LED照明管理智能化、人性化是小區(qū)、企業(yè)、學(xué)校面臨的新問題之一。大多數(shù)的小區(qū)照明仍然沿用傳統(tǒng)單一的控制方式，存在電能浪費(fèi)大，遠(yuǎn)程操控不變，故障巡查難度大等現(xiàn)象。因此，采用現(xiàn)代化、智能化的照明管理方式越來越受到更多人的關(guān)注，成為研究的熱點。

近年來，國內(nèi)外科研人員在LED智能照明控制領(lǐng)域開展了大量的工作?？偩€式照明控制系統(tǒng)，主要有基于分布式控制總線［和現(xiàn)場控制總線［3］，總線方式擴(kuò)展性好、可靠性高，但是總線式智能控制系統(tǒng)，存在專業(yè)性太強(qiáng)、難以精準(zhǔn)控制、綜合布線麻煩，很難普及［4］。采用Zig Bee技術(shù)的無線照明控制系統(tǒng)以功耗小、成本低、組網(wǎng)方便，得到很多廠商的重視［5］。但采用無線方式存在輻射大、穩(wěn)定性不高、容易被障礙物阻擋等問題。國外，電力載波技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能家居、智能照明控制方面。電力載波技術(shù)由于采用電力線作為載波信號的傳輸媒介，具有信號傳輸穩(wěn)定可靠、無須鋪設(shè)額外線路、健康環(huán)保等特點。由于小區(qū)照明控制范圍小、數(shù)據(jù)量小，電力線載波窄帶寬和變壓器阻斷的缺點不突出，使其具有明顯優(yōu)勢。

在此背景下，本文結(jié)合國內(nèi)日漸興起的電力載波技術(shù)，提出了一種新型的智能照明控制系統(tǒng)。有效提升了小區(qū)照明管理的技術(shù)水平和服務(wù)水平，減輕管理維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)約能耗。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包含前端智能控制節(jié)點、集中控制器和遠(yuǎn)程控制端3個層次。節(jié)點與集中器通過電力線相連并進(jìn)行載波通信，5～10個集中器即可覆蓋中小型小區(qū)的照明區(qū)域。整個系統(tǒng)采用自定義的通信協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠和安全。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單燈節(jié)點的開關(guān)燈控制，適時的提供光照，適應(yīng)多變的天氣，按需調(diào)節(jié)燈具光強(qiáng)、實時監(jiān)測單燈的電壓、電流、溫度等狀態(tài)，自動檢測故障并上報。系統(tǒng)引入PC控制端和移動端雙重控制，實現(xiàn)小區(qū)管理員與系統(tǒng)的交互，如圖1所示。

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能和保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，系統(tǒng)硬件的選型和設(shè)計顯得尤為重要，本文將從前端控制節(jié)點、集中器節(jié)點、智能調(diào)光模塊和電量檢測模塊加以詳細(xì)闡述。

1.1.1前端控制節(jié)點設(shè)計

前端控制節(jié)點照明設(shè)備單燈控制器硬件系統(tǒng)包括微控制器MCU、PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊、CS5463電能采集模塊、光敏傳感器、繼電器、PWM調(diào)光、AC/DC電源等。單燈控制器直接從5芯3相電纜接入，PLC模塊接在指定的相位上，PWM和繼電器與照明設(shè)備所在相電力線連接。MCU負(fù)責(zé)處理前端控制器節(jié)點的數(shù)據(jù)，執(zhí)行開關(guān)燈、亮度調(diào)節(jié)、回傳電流電壓等任務(wù)。光敏傳感器采集光照強(qiáng)度傳給微控制器，MCU調(diào)整PWM的脈沖占空比達(dá)到調(diào)整驅(qū)動電壓、電流、功率的目的，從而調(diào)整LED照明設(shè)備的亮度。通過電能檢測模塊采集單燈的電壓、電流，不僅能及時統(tǒng)計和查詢設(shè)備的能耗情況還可以主動實時上報故障和線路情況。如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　前端控制節(jié)點總體框圖

1.1.2集中器節(jié)點設(shè)計

集中控制器硬件則由Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器、PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPRS通信模塊組成。微控制器通過串口與PLC電力載波模塊和GPRS通信模塊相連。GPRS模塊采用的是華為GTM900C模塊，內(nèi)部支持TCP/IP協(xié)議。PLC電力載波通訊模塊包括收發(fā)電路和PLC通信協(xié)議處理部分。集中控制器主要有兩個功能，其一，通過電力線與各個前端單燈控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制各個單燈控制器和單燈控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；其二，通過GPRS與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立無線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，便于遠(yuǎn)程管理和控制。

1.1.3智能調(diào)光模塊設(shè)計

目前，LED照明設(shè)備調(diào)光技術(shù)主要有可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光3種技術(shù)，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制降壓的設(shè)計思路，通過改變PWM脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓、電流、功率的大小實現(xiàn)調(diào)光。系統(tǒng)設(shè)置4個可調(diào)光檔位，支持手動調(diào)光和自動調(diào)光兩種控制方式，系統(tǒng)默認(rèn)為自動調(diào)光模式，可綜合時鐘、季節(jié)和光照強(qiáng)度信息自動設(shè)置亮度。光線最差時，系統(tǒng)的PWM占空比接近百分之百，LED的亮度最大且滿足光照要求；當(dāng)環(huán)境的照度變化時，系統(tǒng)根據(jù)光強(qiáng)度自動改變PWM的占空比值，調(diào)整燈具亮度適應(yīng)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能的目的。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，選用好的光傳感器至關(guān)重要。系統(tǒng)采用靈敏度高的TLS2561作為光敏傳感器，能實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，通過I2C與STM32相連，通過STM32的PWM端口輸出調(diào)光脈沖信號。LED驅(qū)動電路中集成PWM調(diào)光電路，電路如圖3所示，橋式電路的輸出通過三極管來控制，當(dāng)電路的輸入電壓為一連串振幅相同而寬度不同的PWM脈沖時，依照特定的規(guī)范調(diào)制PWM脈沖信號寬度，即可獲得等效的輸出電壓。此時，電壓的波形受到高頻分量的干擾并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，需要在電路的輸入輸出兩端分別串聯(lián)一個電抗來實現(xiàn)平波，緩解對電源產(chǎn)生的影響［8］。

圖3　PWM調(diào)光電路

1.1.4電量檢測模塊設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以監(jiān)測LED照明設(shè)備的工作狀態(tài)，如查詢LED亮燈和能耗情況，系統(tǒng)需要定時或者實時采集燈的電壓、電流、功率和電能參數(shù)。用戶通過手機(jī)APP查看所有燈的電壓、電流、功率變化曲線圖。電能模塊提供4個220 V接口，兩個輸入和兩個輸出以及一個串口數(shù)據(jù)收發(fā)端，模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳送到微控制器。系統(tǒng)采用電壓互感器HPT205、電流互感器HCT204分別檢測LED燈兩端的電壓和流過LED燈的電流大小。HPT205輸出電壓范圍是0～2 V，HCT204輸出的電流大小是0～2.5 mA，經(jīng)過電阻的分壓，電壓降低到0～1 V的范圍，經(jīng)過5 V電壓拉高之后，通過運(yùn)算放大器的電壓維持在2.5 V左右。最后，通過二極管BAT54S進(jìn)行穩(wěn)壓保護(hù)PLC芯片。雙運(yùn)算放大器LM358起到射極跟隨器的作用，用以補(bǔ)償內(nèi)部功率［9］。電壓和電流的采集電路如圖4所示。

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)下位機(jī)主要包括兩部分：集中控制器程序和前端控制器程序。本節(jié)主要對這兩部分的程序流程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

1.2.1前端控制器程序

前端控制節(jié)點的程序工作流程如下：上電復(fù)位后，系統(tǒng)初始化（包括MCU串口、I2C、電能檢測模塊和光敏傳感模塊），啟動看門狗電路，讀取電力載波PLC模塊MAC地址，然后MCU開放總中斷，允許串行通信中斷，通過I2C發(fā)送采集光敏傳感數(shù)據(jù)命令讀取光強(qiáng)度，采集實時時鐘，結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)默認(rèn)處于自動調(diào)光模式，自動判斷開關(guān)燈時間是否已到和燈亮度檔位，接收來自監(jiān)控中心的命令，進(jìn)行相應(yīng)的處理等。

圖4　電壓電流采集電路

微控制器采用中斷方式監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)，電力載波模塊PLC從電力線收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)載波協(xié)議進(jìn)行嚴(yán)格判斷目的地址是否為本節(jié)點，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。載波模塊將屬于本節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口透傳給微控制器，此時控制程序首先將接收到的數(shù)據(jù)放入一個定義好的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后在程序主循環(huán)檢測緩存區(qū)是否為空，有數(shù)據(jù)則進(jìn)行處理。微控制器將收到的數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議解析，分別調(diào)用子函數(shù)處理，并將操作結(jié)果逐級返回到控制端，自定義協(xié)議保證了數(shù)據(jù)的正確性，防止傳輸過程中數(shù)據(jù)幀的丟失。微控制器主程序如圖5所示。

圖5　前端控制節(jié)點主程序流程圖

1.2.2集中控制器程序

集中控制器程序設(shè)計基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思路，主要包含微控制器系統(tǒng)初始化模塊、PLC載波通信串口數(shù)據(jù)處理模塊、GPRS無線通信數(shù)據(jù)處理模塊和中斷服務(wù)程序處理模塊。系統(tǒng)初始化主要包含系統(tǒng)時鐘 （SYSCLK）初始化、通用輸入輸出端口 （GPIO）初始化、串口 （RS-232）初始化、向量中斷控制寄存器（NVIC）初始化、SRAM和FLASH初始化等工作。集中控制器的主架構(gòu)流程如圖所6示。系統(tǒng)初始化完成后，通過GPRS模塊發(fā)送AT指令與遠(yuǎn)端的服務(wù)器建立連接，由于GPRS無線信號有可能出現(xiàn)短暫不穩(wěn)定，導(dǎo)致連接斷開，系統(tǒng)支持?jǐn)嗑€自動重連，然后打開定時器，使能總中斷，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，循環(huán)檢測PLC和GPRS模塊的串口數(shù)據(jù)是否接收完全，如果收到GPRS的串口數(shù)據(jù)，系統(tǒng)調(diào)用GPRS數(shù)據(jù)處理子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到相應(yīng)的操作和地址后采用點對點或者廣播的方式控制前端控制節(jié)點來執(zhí)行該命令；如果收到的是載波串口上的數(shù)據(jù)，則按照載波協(xié)議解析該命令，通過自定義協(xié)議封裝上傳結(jié)果；否則，系統(tǒng)返回主循環(huán)繼續(xù)檢測。

圖6　集中控制器主程序流程圖

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1電力載波技術(shù)

電力線載波通信指利用現(xiàn)成的電力線路，通過載波調(diào)制解調(diào)將模擬、數(shù)字信號進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。其優(yōu)點是可靠性高、穿墻性好、輻射小，不需重新布線，節(jié)省資源。然而，作為開放信道，電力線通信信道呈現(xiàn)出衰減強(qiáng)、噪聲高、負(fù)荷變化劇烈等惡劣的性能。

本系統(tǒng)采用BFSK擴(kuò)頻方式［10］的PLC芯片，外加時鐘電路、陶瓷濾波接口電路、載波發(fā)射電路和載波接收電路。電源部分接入220 V交流電壓，通過降壓處理向模塊供電，載波發(fā)射電壓在7～24 V之間，其他芯片電路5 V供電。微控制器與PLC模塊串口連接，如圖7所示。

圖7　串口命令數(shù)據(jù)包格式

每個命令均由固定命令頭和可變命令/數(shù)據(jù)組成。命令頭包含12個字節(jié)，其中前8個字節(jié)為目的地址和源地址，訪問設(shè)備均需要指定目標(biāo)地址，或者提供組播地址、廣播地址、地址的長度固定為4個字節(jié)，有MAC地址和動態(tài)ID兩種表示方式，MAC地址為設(shè)備唯一標(biāo)識，始終可以訪問到特定的設(shè)備，即使以無效的MAC地址為目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)包也會在載波網(wǎng)絡(luò)里傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)；動態(tài)ID只有當(dāng)載波網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)完畢后才能使用，訪問無效的動態(tài)ID會立即返回錯誤，不會將數(shù)據(jù)包發(fā)送到載波網(wǎng)絡(luò)。如FFFF FFFF表示廣播地址，8000 0000-FFFF 0000表示節(jié)點MAC地址等。命令字節(jié)表示模塊支持的命令如獲取節(jié)點路由表信息、向遠(yuǎn)程節(jié)點寫入數(shù)據(jù)等。參數(shù)占2個字節(jié)與命令有關(guān)，命令的長度用1個字節(jié)表示，包含12字節(jié)的命令頭和可變長度命令/數(shù)據(jù)。

2.2自定義通信協(xié)議

智能照明系統(tǒng)移動端和服務(wù)器之間、服務(wù)器與集中器之間的通信均采用自定義內(nèi)部通信協(xié)議方式實現(xiàn)：系統(tǒng)內(nèi)部通訊協(xié)議設(shè)定的目的是確保B/S、C/S結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠的通訊。所謂系統(tǒng)內(nèi)部通訊協(xié)議是指由系統(tǒng)自己定義的，是通訊雙方要求對方傳輸固定格式的命令或指令。通信協(xié)議由幀頭、目的地址、源地址、操作碼、數(shù)據(jù)長度域、數(shù)據(jù)域、效驗碼、幀尾構(gòu)成。數(shù)據(jù)域的長度可變。集中器與節(jié)點之間采用半雙工通信方式，單控節(jié)點為從模式，集中器為主模式。單燈節(jié)點有唯一標(biāo)識的MAC地址。自定義通信協(xié)議格式如表1所示。

表1　自定義通信協(xié)議格式

幀頭由'U'的ASCII碼和其反碼構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備的MAC地址唯一；操作碼C表示系統(tǒng)可以操作的命令：開燈、關(guān)燈、調(diào)光、電能查詢、線路檢測等；數(shù)據(jù)長度L為數(shù)據(jù)域的長度，L=0時表示數(shù)據(jù)域為空；DATA為可變負(fù)載數(shù)據(jù)內(nèi)容；效驗碼CS是計算從目的地址開始到數(shù)據(jù)域的累加和和異或校驗和。

3　實驗結(jié)果

將各個模塊連成一個系統(tǒng)，模擬小區(qū)燈光環(huán)境，選取遠(yuǎn)程控制開關(guān)燈、調(diào)光和獲取電能參數(shù)幾個重要功能和性能進(jìn)行測試。測試環(huán)境為兩個集中器、4個PLC燈控節(jié)點、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和移動控制平臺，兩組分別接入220 V電力線。景觀燈和路燈兩兩一組，每個集中器控制一個類型的燈，如集中器1#控制路燈節(jié)點1#和2#。PC控制中心和Android移動端可以遠(yuǎn)程控制單燈的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、電能參數(shù)檢測和線路防盜，也可以選擇性的開關(guān)部分燈。

搭建好測試環(huán)境后，打開服務(wù)器網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心，進(jìn)入到調(diào)光的主界面。在組控方式下打開、滑動滾動條進(jìn)行漸高漸低亮度調(diào)節(jié)，關(guān)閉操作，節(jié)點都達(dá)到預(yù)期的效果。在燈光強(qiáng)度的4個檔位上分別查詢燈具的電能參數(shù)，對結(jié)果進(jìn)行比較分析。每組重復(fù)測試10次，統(tǒng)計分析路燈和景觀燈在調(diào)光延時誤差、遠(yuǎn)程控制平均延時和定時開關(guān)響應(yīng)延時的誤差。

從表2的檢測結(jié)果表明，遠(yuǎn)程控制延時時間控制在0.5 s以內(nèi)，定時開關(guān)響應(yīng)延時在3 s以內(nèi)，輸出電流大小和亮度基本上呈線性關(guān)系，能夠滿足實際應(yīng)用的要求。

表2　小區(qū)智能照明系統(tǒng)測試計算表

4　結(jié)束語

小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)，采用電力載波通信技術(shù)，將小區(qū)各種LED燈的狀態(tài)及時反饋到監(jiān)控中心和手機(jī)移動端，小區(qū)管理維護(hù)人員很容易了解到小區(qū)照明設(shè)備的開關(guān)燈情況及異常情況，既省去了小區(qū)大幅度巡查的麻煩，又很大程度縮短響應(yīng)處理時間，提高了響應(yīng)實時性。系統(tǒng)可以開啟智能模式，自動根據(jù)季節(jié)定時和光照強(qiáng)度做到在合適的時間、以合適的亮度照明，大大節(jié)約了電能。本系統(tǒng)具有安裝簡單、可靠性高、無需額外布線等優(yōu)點，加強(qiáng)了小區(qū)照明管理方式，提高管理工作效率，有效解決了中小型LED企業(yè)的生存困境，值得推廣應(yīng)用。

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Design and Implementation of Community Intelligent Lighting Management System Based on Internet of Things

Mo Fu，Li Chao，Yu Liang，Nie Jun
（School of Computer，Guangdong University of Science&Technology，Dongguan523083，China）

According to the difficult situation of domestic small and medium LED lighting enterprises and the status quo of government advocating the low-carbon and green lighting policy，a design scheme of residential intelligent lighting management system based on power line communication technology was proposed.The smart control terminal contains Micro-controllers，PLC chip and sensors，which can collect the power of single lamp and light intensity data.The concentrator integrated GPRS communication module is responsible for establishing a connection with the remote control center and the control terminal is connected to the concentrator through the power lines，to achieve PC and mobile terminal multiple platforms control for LED lighting.It focuses on the hardware and software design of intelligent control terminal，custom communication protocol and remote control method.The actual measured results show that the system has reliable data transmission，short response time，low cost，easy remote management and control.

power line communication；concentrator；intelligent lighting；power detection；PLC chip

1671-4598（2016）05-0254-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.071

TP391

A

2015-12-03；

2016-01-04。

廣東科技學(xué)院2014年重點科研項目（GKY-2014KYZD-5）；基金項目廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目（廣科【2015】27號）。

莫夫（1968-），男，廣東陽江人，碩士，講師，主要從事信息系統(tǒng)，無線技術(shù)方向的研究。