張 玲 郝翠霞

(南京工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇南京 210046)

1 引言

隨著信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化技術的發(fā)展，“數(shù)字城市”已成為當今全球城市信息化建設的熱點。城市照明數(shù)字化是數(shù)字城市的重要組成部分，它是以新能源技術、照明技術、計算機控制技術、多媒體技術和通信技術為基礎，運用遙感、遙測、通信網(wǎng)絡等對城市的照明設施及照明效果進行動態(tài)監(jiān)測與管理，并為“數(shù)字城市”管理系統(tǒng)提供輔助決策服務。

目前3G通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場通信總線、短距離無線通信網(wǎng) (如ZigBee)等通信技術已發(fā)展成熟，完全能應用于城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。城市照明綜合監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的照明燈覆蓋面廣、種類繁雜、控制要求多種多樣，各照明區(qū)域或不同類型燈具所包含的信息量差別很大。本文所闡述的城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)，研究基于同一種接入與控制協(xié)議 (MMS)的無線數(shù)據(jù)傳輸控制平臺，通過統(tǒng)一的接入與控制協(xié)議來實現(xiàn)對城市照明的數(shù)字化控制，為城市亮化照明控制提供完整的解決方案，同時在滿足城市亮化美化效果的前提下，盡可能地降低能耗、低碳環(huán)保，符合國家的能源政策。

2 系統(tǒng)體系結構

城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)可分為3個層次，分別是:①設置于全市和各區(qū)縣的統(tǒng)一的計算機監(jiān)控系統(tǒng)WCS;②設置于各大樓、廣場、道路的區(qū)域控制器NCS;③設置于照明配電箱內(nèi)的現(xiàn)場控制器LC。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure schematic:wireless surveillance system of city lighting

(1)計算機監(jiān)控系統(tǒng)WCS。協(xié)調整個城市景觀照明和路燈照明的運行及綜合管理，對所有子照明系統(tǒng)進行控制和運行狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)包括控制計算機、跨平臺操作系統(tǒng)、城市亮化照明控制軟件、設備信息管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、維護管理系統(tǒng)等。系統(tǒng)融合3G通信網(wǎng)絡，在城市監(jiān)控中心與各區(qū)域監(jiān)控分中心計算機之間形成一個統(tǒng)一的監(jiān)控平臺。各區(qū)域控制器NCS首先通過3G網(wǎng)絡將照明監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到各自的區(qū)域監(jiān)控分中心，再通過3G網(wǎng)絡將各分中心的數(shù)據(jù)上傳到總監(jiān)控中心。

(2)區(qū)域照明控制器NCS。負責采集現(xiàn)場照明控制器LC和相關控制設備的信息，處理后通過3G網(wǎng)絡上傳給本地監(jiān)控中心，本地控制中心的控制命令也通過3G網(wǎng)絡發(fā)送給區(qū)域控制器NCS，再由區(qū)域控制器直接控制相應設備或將控制命令轉發(fā)給現(xiàn)場控制器LC。

(3)現(xiàn)場照明控制器LC。將來自區(qū)域控制器NCS的控制命令轉換為不同照明燈具可接受的控制信號。對于普通照明路燈，將NCS系統(tǒng)發(fā)過來的網(wǎng)絡控制命令轉化為相應的控制接點信號，通過直接控制交流電源的輸出控制路燈或景觀照明燈的開閉;對于LED調光燈，則是將NCS發(fā)來的指令轉換為PWM信號控制LED燈的開閉及調光;對于基于DMX512或DALI標準的變色燈，則將NCS的指令轉換為DMX512或DALI控制信號。

城市照明系統(tǒng)中的照明燈控制方式多種多樣，有的是分合控制，有的是明暗控制，有的是色彩控制，其中所包含的信息量差別很大。區(qū)域控制器與照明現(xiàn)場控制器之間的通信協(xié)議，既要能滿足彩色景觀燈大信息量的要求，又要能滿足燈具數(shù)量龐大的控制需求。因此本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡參考MMS(Microsoft Media Server Protocol)協(xié)議 (MNS是基于XML描述語言的制造報文規(guī)范、適用于多設備互聯(lián))，并在此基礎上做適當修改調整以滿足城市大范圍亮化照明控制的需求。

3 區(qū)域照明控制器NCS和現(xiàn)場照明控制器LC的硬件設計

3.1 區(qū)域照明控制器NCS

區(qū)域控制器NCS是城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分，應具有可靠性高、接口豐富、控制靈活方便、可擴展等特點。本系統(tǒng)中NCS的硬件采用嵌入式設計，選擇Motorola的PowerPC8247處理器和經(jīng)過裁剪的Linux操作系統(tǒng)為工作平臺?？刂破骺商峁?路獨立IP端口的以太網(wǎng)接口，這4個接口可以設計為RJ45電接口，也可以設計為光纖以太網(wǎng)接口。圖2所示為其中一個以太網(wǎng)接口的電路原理圖。

在PowerPC8247處理器內(nèi)部集成了以太網(wǎng)MAC接口，所以只需要一個物理層網(wǎng)絡處理芯片。本設計采用了Intel公司的LXT971A芯片來處理物理層協(xié)議，20F001N為100M以太網(wǎng)隔離變壓器，提供電氣接口的以太網(wǎng)隔離驅動。

圖2 區(qū)域控制器以太網(wǎng)接口電路圖Fig.2 Circuit diagram:Ethernet interface of Zone controller

3.2 現(xiàn)場照明控制器LC

現(xiàn)場照明控制器LC采用高速率的單片機(PowerPC)和嵌入式操作系統(tǒng) (Linux)，內(nèi)置嵌入式光纖100M以太網(wǎng)絡控制器，支持TCP/IP、UDP、HTTP等網(wǎng)絡協(xié)議，并可與無線GPRS/APN結合，組成遠程無線終端。

每個照明現(xiàn)場控制單元既能提供簡單的回路電源分合控制，也可連接各類燈具的DALI數(shù)字通信接口以及DMX512信號接口。照明控制盡管已發(fā)展到網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，但目前DMX512信號標準應用仍然很廣泛，在大型的網(wǎng)絡化燈光控制系統(tǒng)的末端仍然大量采用DMX512信號控制方式。圖3所示為現(xiàn)場照明控制器中DMX512接口電路圖。

圖3中ST16C554可擴展4個異步通信端口，其中1路經(jīng)過右側的光電隔離后通過MAX1487輸出驅動，按照DMX512信號標準與智能燈具連接。圖4所示為LC控制器輸出的DMX512信號波形圖。

圖3 現(xiàn)場照明控制器DMX512接口電路圖Fig.3 Circuit diagram:Scene lighting controller with DMX512 interface

圖4 DMX512信號波形圖Fig.4 DMX512 signal waveform

如圖4所示，DMX512數(shù)字信號由起始碼和512個數(shù)據(jù)幀 (字節(jié))組成，同步信息由一個“BREAK”和一個“MAB”構成，按串行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對于調光系統(tǒng)，每一個字節(jié)數(shù)據(jù)表示每一路的調光亮度值，0～255代表0～100%的亮度值，一個DMX512信號的最大控制回路為512路。對于智能燈具，這512個數(shù)據(jù)有的表示亮度、有的表示顏色、有的表示位置等，根據(jù)不同控制數(shù)據(jù)的組合，一個DMX512信號所控制燈具數(shù)不超過512盞。

4 系統(tǒng)通信協(xié)議與虛擬化建模

城市綜合照明監(jiān)控系統(tǒng)中會接入各種各樣的設備，還有不斷涌現(xiàn)的新設備。這些設備為城市照明提供了豐富的表現(xiàn)手段和技術保障，但要讓如此眾多的設備依照一定的標準融入到一個系統(tǒng)中，并在控制計算機的統(tǒng)一調度之下協(xié)同工作卻絕非易事。

本系統(tǒng)中所有接入設備均采用RJ45以太網(wǎng)接口標準，支持10M 100Mbps高速以太網(wǎng)接口，在通信協(xié)議上則采用基于XML描述語言的制造報文規(guī)范MMS標準。

MMS是由國際標準化組織ISO第184技術委員會—— “工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成”TC184制訂的用于開發(fā)和維護工業(yè)自動化系統(tǒng)的獨立國際標準報文規(guī)范。MMS是通過對真實設備及其功能進行建模的方法，實現(xiàn)網(wǎng)絡環(huán)境下計算機應用程序或智能電子設備 (Intelligent Electronic Devices，IED)之間數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的實時交換。國際標準化組織出臺MMS是為了規(guī)范工業(yè)領域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設備IED、智能控制設備的通信行為，讓出自不同廠商的設備之間具有互操作性，使系統(tǒng)集成變得簡單、方便。

對智能照明設備虛擬化建模VMD(Virtual Manufacturing Device)是本系統(tǒng)最重要的一個技術核心。MMS定義了MMS服務器應用過程的外部可見功能，此功能是由VMD的描述實體來建模的。VMD存在于MMS服務器應用過程中，構成信息處理任務部分，對一組資源進行監(jiān)控，并與一個實設備IED在功能上相關。一個應用過程 (AP)可以包含零個或多個VMD，如圖5所示。

圖5 照明系統(tǒng)的虛擬化建模Fig.5 Virtual modeling of lighting system

圖5中每個VMD表示一個虛擬智能設備，將照明燈具、電源設備、控制設備虛擬化為控制節(jié)點或測量節(jié)點。應用程序客戶端通過 MMS系統(tǒng)操作VMD設備，再通過VMD操作到實設備。圖6為客戶端AP與VMD虛擬照明燈通信示意圖。

MMS服務器中的VMD模型可以通過讀取IED的配置文檔 (由XML語言描述)來獲得IED的配置信息，建立VMD中具體服務和具體變量與IED提供的服務和變量 (如測量值、自檢報告、故障事故報告、控制信號等)的映射關系。這一過程可以專門建立一個IED配置工具，采用配置描述語言XML來描述相關的IED配置和參數(shù)。

圖6 客戶端AP與VMD虛擬照明燈通信示意圖Fig.6 Schematic diagram:the client AP and VMD virtual light communication

本系統(tǒng)用表1和表2中的邏輯節(jié)點的名稱和數(shù)據(jù)名稱 (部分)來描述照明系統(tǒng)的燈具、電源、控制設備，邏輯節(jié)點以及包含在其中的數(shù)據(jù)是描述實際系統(tǒng)和功能的基本組成部分。而邏輯節(jié)點是數(shù)據(jù)的容器，可以將真實的照明設備按功能分解為邏輯節(jié)點，再根據(jù)需要將邏輯節(jié)點組合成邏輯設備。表2中的M_MP邏輯節(jié)點就可能包含:開關狀態(tài)CB、電源電壓U、電源頻率F、電流I、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。而讀測量數(shù)據(jù)、開關狀態(tài)，則是完成了Read操作。其他操作還包括初始化Init、參數(shù)配置Config、事件查詢Query等。

表1 照明控制節(jié)點描述 (示例)Table 1 Lighting control node description(example)

表2 照明測量節(jié)點描述 (示例)Table 2 Lighting measurement node description(example)

邏輯設備則是由一系列邏輯節(jié)點以及操作邏輯節(jié)點的服務構成，完成對外通信的功能。例如在照明系統(tǒng)中將所有泛光燈定義為一個邏輯設備、將路燈定義為一個邏輯設備、將庭院燈定義為一個邏輯設備，在每個邏輯設備中至少包含一個邏輯節(jié)點。圖7所示就是包含一個邏輯節(jié)點的邏輯設備，它對外所提供的服務包括測量值服務 (電壓、電流等)，事件服務 (開關跳閘、控制燈開閉等)以及報告服務 (燈具信息描述、故障記錄等)。

圖7 邏輯設備模型示意圖Fig.7 Structure schematic curve:model of logical device

無論是哪種服務，其服務描述均采用XML(Xtensible Markup Language，超文本標記語言)以滿足抽象通信服務與MMS映射服務的對接要求。具體描述和應用體現(xiàn)在以下四類文件當中:

(1)ICD文件。描述帶有固定數(shù)目邏輯節(jié)點的欲配置的IED能力，即描述未綁定到具體應用過程中的IED產(chǎn)品的結構和功能。

(2)SSD文件。描述照明子系統(tǒng)功能和拓撲結構及通信設置。

(3)SCD文件。用來說明如何將各個IED整合成為一個功能完善的綜合照明管理系統(tǒng)，是完整的配置過程。

(4)CID文件。描述系統(tǒng)中實例化IED設備信息，將SCD文件中與實例IED有關的信息分離出來，生成CID文件，發(fā)給相應的IED進行具體的配置。

參考MMS標準設計照明綜合計算機監(jiān)控通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的標準，采用分層、面向對象建模等多種新技術，其底層直接映射到MMS上，為應用系統(tǒng)提供一致的通信界面。

5 結束語

本文所闡述的城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)將應用于某科技園區(qū)，在園區(qū)范圍內(nèi)對路燈、泛光燈、庭院燈、輪廓燈以及噴泉夜景等實現(xiàn)網(wǎng)絡化控制，在實際應用中還將融合能源考核管理系統(tǒng)，既節(jié)約電能又能統(tǒng)一調度。系統(tǒng)采用了制造報文規(guī)范MMS，將對接入的各類繁雜照明燈具進行智能化改造，按照照明功能重新組合成邏輯照明設備，對邏輯設備的邏輯節(jié)點統(tǒng)一編寫相應的控制代碼，從而在接入各類設備時提供一致的界面。本系統(tǒng)除應用于園區(qū)照明控制，還可以推廣到更大范圍的城市照明控制系統(tǒng)中，甚至應用于給排水、燃氣等其他城市監(jiān)控管理系統(tǒng)中，為城市綜合管理系統(tǒng)中各種設備和信息相融合起到一定的示范作用。

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