第21卷 第11期 V01.21 NO.11 电子设计工程 Electronic Desima Eng 2013年6月 Jun.2013 基于物联网技术的建筑照明智能无线控制系统 聂章龙 (常州信息职业技术学院江苏常州213164) 摘要:本系统融合了传感器技术、物联网技术、3G通信技术。针对目前城市建筑照明管理方式单一、非智能化、布线 复杂及维护困难的现状,提出了基于物联网技术的建筑照明智能无线控制方案。方案按照分层软硬件设计思想,采用 终端层、电控柜主节点层和服务器层的三层结构进行设计.将ZigBee技术、2.5G/3G通信技术与Internet Web技术可 靠的融合到整个系统开发过程。系统在有效网络编址基础上,提供1/2、1/3等控制模式和按地球经纬度控制模式,实 现了节能。 关键词:传感网;ZigBee无线传感网;GPRS通信;智能照明灯;节能减排 中图分类号:TP3l1 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2013)11—0126—05 Intelligent wireless control system for building lighting based on Internet of thing NIE Zhang-long (Changzhou College ofInformation Technology,Changzhou 213164,China) Abstract:For single management style,non-intelligent,wiring complex and maitain difficult of the CUlTent city building lighting,the paper combines sensor technology,Interact of Things technology,and 3G communication technology,and proposed a building lighting intelligent wireless control scheme based on lnternet of Things technology.In accordance with the hardware and software layer design thinking,the scheme included the terminal layer design,the control cabinet master node and server layers,ZigBee technology,2.5G/3G communication technology and Internet Web technology are relibly integrated ainto the overall system development process.the 1/2,1/3,etc control mode and Earth coord control mode achieve energy saving of system based on the effective network addressing. Key words:sensor networks;ZigBee wireless sensor network;GPRS communications;intelligent lighting;energy saving 随着中国经济的高速增长,直接带动了中国建筑业的迅 猛发展。由此带动建筑照明(LED)、建筑电气市场巨大需求, 并以每年30%的速度增长.同时,在倡导低碳经济和节能减 服务器层与电控柜主节点层之间的通信,采用ZigBee技术通 过自主研发的网络编址和通信协议实现电控柜主节点层与 终端层之间的通信,从而实现利用一台计算机控制到楼宇或 整座建筑单灯的梦想.系统的整体架构图如图1所示。系统 排趋势下,为建筑照明(LED)、建筑电气产品和技术提供了广 阔的市场机遇,可以说,中国建筑照明(LED)暨、建筑电气产 业发展处于历史最好时期。据资料统计,2009年江苏省的城 在有效网络编址基础上.提供1/2、1/3等控制模式和按地球 经纬度控制模式.实现了节能。 1.1终端层设计 1)终端层硬件设计 市照明的投入在5亿人民币以上,其中控制器部分在l亿人 民币以上。目前在建筑照明中很少能由一台服务器通过物联 网控制到建筑物内的单灯和自动检测到单灯故障。针对这种 终端层的硬件部分主要由ZigBee照明终端控制器组成, ZigBee照明终端控制器选用飞思卡尔公司的基于IEEE 802.15.4标准的MC13213作为主控芯片l”。ZIGBEE照明灯终 端控制器的硬件设计主要包括:MC13213主控器最小系统、 状况,本文充分研究并融合传感网技术、电信网技术、互联网 技术应用于建筑照明的智能化与精细化节能管理控制,从根 本上解决传统建筑照明的灯检、单灯控制、节能、信息跟踪等 问题.是现代建筑照明的根本解决方案。 天线系统、采集系统、控制系统、电源系统的设计。MC13213 最小系统原理图如图2所示。 2)终端层软件设计 1系统功能设计 本系统按照分层软、硬件设计思想,设计出“终端层一电 控柜主节点层一服务器层”的3层结构,采用GPRS技术实现 收稿日期:2013—0l一09 稿件编号:201301075 ZigBee照明终端控制器的主要功能有:接收高端发送的 不同方式的控制命令,控制照明灯实现降功率功能;采集照 明灯工作电压电流状态并上传,供高端查看决策用。为了实 基金项目:常州市支撑计划(工业)项目(CE20120033) 作者简介:聂章龙(1974一),男,安徽霍邱人,硕士研究生,讲师,工程师。研究方向:嵌入式系统、智能控制。 ..126- 《电子设计工程)2013年第11期 1)网络节点编址机制 表1无线传感器网络协议一网络节点编址机制 Tab.1 Wireless sensor network protocols-network node addressing mechanism 数据位D31一D16 D15一D1 1 DIO—D8 D7一DO l6位网段地址,5位类型地3位组地址.8位组内地 含义 范围0—65535,0址,范围O一范围0—7,0址.范围O一 预留。 31,0预留。 预留。 255。 (1)D15一DO为0x00,表示该节点为路由节点。 (2)地址分为2个部分。第一个部分是网段地址:目前是l6位,共可 表示65534个网段(如果有需要可以很方便的扩充)。第二部分是照 明灯网络内的节点地址,共16位;这l6位又分成两个部分:高5位 作为网络内节点的类型编号.低11位是类型下的节点编号:同时11 位的节点编号分成两个部分:高3位作为网络内节点的组号,低8 位是组中的节点编号。 2)帧格式 为了网络数据帧的更容易控制和编码解码的方便,将数 据帧定义为定长,这样在功能完全实现的基础上,程序和协 议的设计都会变的很简单。自主研发的协议规定一个数据帧 的长度固定为11个字节.数据帧包括两种类型的帧:命令帧 和状态帧。命令帧主要是将命令字段定义在帧中,传输到相 对应的网络节点,相关的网络节点执行命令。命令包括全网 络的命令和单个网络节点的命令,全网络的命令表示该命令 网络的所有或多个节点都要执行,单个网络节点命令表示命 令只是针对单个网络节点的。为确保控制的有效性,需要加 上状态帧来及时取得照明灯的状态进行查看。状态帧中包含 单个网络节点的状态参数。 命令帧的格式如表2所示。 表2命令帧的格式 Tab.2 Format of the command frame ①帧号:在同一网络中,数据的转发规则是:收到一个新 的帧后转发一次。如果立刻又收到这个帧则不进行转发 自 主研发的网络采用的是帧号机制。高端提供的数据帧中包含 一个帧号字段,唯一的标志了一个帧,并给帧号提供了位示 图的标志置位机制。一个位代表一个帧号,置位该位即表示 已转发过。 ②网络节点地址:表2所示的4个字节。 ③命令字节:命令字节用于表示执行的命令类型,这是 自定义的。 ④控制字节:照明灯控制时所需的其他的参数,如节能 控制方式等。 1.2电控柜主节点层设计 1)电控柜硬件设计 电控柜主节点层的硬件主要是由GPRS—ZIGBEE路由器 构成.其硬件总体框图如图3所示。其中AD模块和继电器模 块用于路端控制箱的控制和监测。SPI、IIC接口便于扩展,使 一l28- 得硬件具有灵活性和可扩展性。MC13213照明灯网络主控节 点将照明灯网络的数据信息传输到数据收发处理模块,该模 块以32位ColdFire系列芯片MCF52223为核心【引,对数据处 理后封帧,然后通过3G/2.5G发送到服务器层。3G模块使用 华为公司的WCDMA模块EM770W,2.5G模块使用华为公司 的GPRS模块EM310。 3G模块EM7 70W lP_ ——————, - 2・E5MG3模块I10 I・1 ! -r MCF5223 巫亘 主控芯片 至 图3 GPRS—ZIGBEE路由器硬件总体设计 Fig.3 The hardware design of GPRS—ZIGBEE router 2)电控柜软件设计 GPRS—ZIGBEE路由器主要包括两个部分的MCU方软 件设计:MC13213照明灯网络主控节点设计和数据收发处理 模块设计。 0]MC13213照明灯网络主控节点的软件设计 在设计时,我们采用面向硬件对象和程序模块化封装 的设计思想,对软件的工程文件进行组织,将与硬件相关的 驱动程序和上层功能性程序分割开来。对各功能模块中文 件的划分同样充分遵循了面向硬件对象和模块化划分的思 想,极大地提高软件的通用性和可复用性。主控节点的工程 设计与ZIGBEE照明灯终端控制器软件设计基本相同.这里 不再赘述。 ②数据收发处理模块的软件设计 该模块主要功能是接收MC13213照明灯网络主控节点 传输的数据.然后通过3G或2.5G模块发送到Intemet上监 控中心的服务器嗍。所以该模块作为一个网关,是照明灯无线 传感网络和Intemet的接口。无线收发数据的主要程序代码 如下所示[51: ==函数功能: 发送数据函数= ===木, UINT8 RFSendData(UINT8 data,UINT8 len, UINT8 pRTxMode) { UINT8 i,u8Status,tempdata[128】; TxPacket tempTxPacket: //定义发送的数据包 RFRXDisableRequest(pRTxMode); /*1.设置数据长度和存储位置 / tempTxPacket.m_u8DataLength=len; tempTxPacket.m_pu8Data=tempdata; /'2.设置数据包的数据¥/ for(i=0;i<len;i++) tempTxPacket.m_pu8Data[i】=data[i】; /*3.发送数据包 / u8Status = RFPDDataRequest(&tempTxPacket, 聂章龙基于物联网技术的建筑照明智能无线控制系统 J } l 1.3服务器层设计 pRTxMode)://将封装好的数据包发送出去 RFRXEnable(pRTxMode); return u8Status; } ===一==函数功能:接收数据函数 服务器层的设计主要是指城市建筑照明控制系统软件 的设计,该软件基于Windows 2003平台,以大型商用数据库 UINT8 RFReceiveData(volatile UINT16*nStatusContent, RxPacket rxPaeket,UINT8 pRTxMode) SQL Server2005为基础,采用B,S模式。我们将其设计为两个 部分,即通信软件部分和管理软件部分,两者之间通过实时 { UINT8 u8DataLength=0: //RX包的数据长度 UINT8 数据库进行通信。 & nLogicState = f nSta ̄tusContent) 通信软件通过和GPRS,WCDMA的通信来负责获取取数 RX—IRQ—MASK; if(nLogicState!=0) { MC13192RTXEN=0: _,/MC13192 R rxEN管脚设 置无效 nLogicState=( nStatusContent)&CRC—VALID—MASK; ,/判断数据的有效性 if(nLogicState==0) ,/如果是无效的CRC,重新 使能接收器 { ( nStatusContent)= (SPIDⅣRead(MODE—ADDR)& 0】(FF7F); SPIDrvWrite(MODE_ADDR,(水nStatusContent)); MC13192_RTXEN=1: return 0; l else,/CRC校验正确 { u8DataLength = (UINT8) (SPIDnrRead (RX—PKT_LEN)&Ox7F);,/读取接收到数据的长度 if(u8DataLength<RXTX_MIN—LEN) //判断 数据的长度是否有效 { ( nStatusC0ntent)=(SPIDrvRead(MODE ADDR)& o】【FF7F); SPIDrvWrite(MODE_ADDR,( nStatusContent)); MC13192R1XEN=1; 一retum 0; ) ( pRTxMode)=IDLE_MODE; ,/恢复到idle模式 rxPacket->m_u8DataLength=u8DataLength;//读取有效 数据 rxPacket一>m_u8Status:SUCCESS; (void)RAMDrvReadRx(rxPacket); Enablelnterrupt(); ( nStatusContent)=0; retum l; .据库中的还未处理的控制指令或将状态信息指令放入到数 据库。该软件使用多线程的异步Socket机制,使得多个楼端 通信装置可以和服务器的同一个端121通信,此时通信软件只 需要维护一张哈希表.记录楼端通信装置(TCP客户端)和它 对应的Socket句柄。减少了开发的复杂度.同时也提高了稳 定性。管理软件主要负责管理数据库和将控制指令放入数据 库,通过数据库和通信软件进行数据传输。为了更好的发挥 系统的节能功能,在进行管理软件设计时.积极响应国家节 能减排的政策,通过市场调研,挖掘城市建筑照明中的节能 潜力,提出多种节能控制模式嘲,以下简单列举几种。 1)1/2、1/3等控制模式 本系统已经实现单灯控制,在业主和客人不太多的情况 下,可以采用隔一盏、隔两盏亮灯的模式。这样,既能满足地 面基本光照。又能达到节能的目的。 2)按地球经纬度控制模式 由于地球经纬度的差异.使得各地的日出日落时间不一 样,同一地方不同季节的日出日落时间也不一样。如果统一 设定开关灯时间,既浪费能源,又不能达到很好的控制效果。 比如说,某市一月中旬的日出时间为07:21:00,日落时间为 17:33:00,而七月中旬的日出时间为05:28:00.日落时间为19: 28:00。如果统一设定开灯时间为17:30:00,那么到七月份.就 会造成很大的资源浪费。基于这种情况。本文提出了按日出 日落时间自动调整开关灯时间。将当地的日出日落时间表导 入系统,设置开关灯偏移时间。这样随着季节的变动,开关灯 时间会自动的随日出日落时间的变化而变化。开灯偏移量与 日落时间决定了开灯时间,即开灯时间=日落时间+开灯偏移 量;关灯偏移量与日出时间决定了关灯时间,即关灯时间=日 出时间+关灯偏移量。 2结 论 系统完备功能的实现靠的是可靠稳定的硬件、考虑周全 的软件协议和良好的架构思想。本系统按照分层软硬件设计 思想,采用终端层、电控柜主节点层和服务器层的3层工作 结构进行设计,将ZigBee技术171、2.5G/3G通信技术与Intemet Web技术可靠的融合到整个系统开发过程,从而达到对城市 建筑照明的“面一线一点”的智能化节能控制。系统具有以下 几个特色和创新点: 一129- 《电子设计工程}2013年第11期 1)系统实现了专用传感网、电信网及互联网的可靠融合 应用: 【4】张俊华.基于GPRS和Zigbee的无线智能路灯控制系统设 计【J].计算机光盘软件与应用,2012(7):200—201. ZHANG Jun-hua.Design the wireless intelligent street light 2)自主设计硬件体系:采用Freescale公司的ZigBee无 线射频芯片MC13213设计无线传感网通信模块.主要用于 解决智能建筑终端设备的数据采集问题: 3)提出了适用于照明灯具控制的ZigBee网络编址算法 control system based on GPRS and Zi【gbee[J].Computer CD Software and Applications,2012(7):200—201. 【5]宋绍剑,薛春伟.基ff-ZJigbee城市路灯智能监控终端控 制器设计[J].照明工程学报,2011(4):26—30. 及路由协议.使得分散的照明灯构成一个自适应动态拓扑的 无线传感网络,组网方式灵活,便于移植。 参考文献: 【1]Freescale Semiconductor,Inc.Document Number.:MC1321x RMRev.1.3,2008,4131. 【2】刘广林,汪秉文,唐旋来.基ff'Zi gBee ̄L线传感器网络的 农业环境监测系统设计[J].计算机与数字工程,2010(10): 57-60. LIU Guang-lin,WANG Bing—wen,TANG Xuan—lai.Design of ZigBee wireless sensor networks in monitoring system of SONG Shao-jian,XUE Chun-wei.Design for city street lamp intelligent monitoring terminal contolrler based on zigbee[J1. China Illuminating Engineering Journal,201 l(4):26-30. 【6】胡开明,李跃忠,卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与 实现[J].现代电子技术,2009(9):143—145. HU Kai-ming,LI Yue-zhong,LU Wei—hua.Design and realization of intelligent energy-saving streeflights controller[J]. 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