宋圣濤，李仁旺，王海州，王維維，楊　震

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于EnOcean技術(shù)的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

宋圣濤，李仁旺，王海州，王維維，楊震

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：提出一種將EnOcean技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了智能網(wǎng)關(guān)、智能內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及EnOcean終端設(shè)備單元.利用EnOcean技術(shù)高質(zhì)量通信和能量收集的優(yōu)點， 滿足了現(xiàn)代工業(yè)智能照明系統(tǒng)真正的無數(shù)據(jù)線、無電池、無電源線及傳輸距離遠(yuǎn)的系統(tǒng)要求.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有良好的可擴展性和節(jié)能效果.

關(guān)鍵詞：智能照明控制系統(tǒng)；EnOcean技術(shù)；智能網(wǎng)關(guān)；無電池

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們對生活質(zhì)量要求不斷提高， 人們對工業(yè)智能照明無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化的需求越來越強烈.智能照明控制系統(tǒng)是工業(yè)智能化必不可少的子系統(tǒng)，是樓宇建筑控制系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)[1].傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)因布線繁瑣、功能單一、擴展性差、耗能多、需要更換電池和人工管理等諸多缺陷，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代人的照明需求.照明能耗在整個建筑能耗中所占分量日益增加[2].照明控制系統(tǒng)要實現(xiàn)智能化，必須首先實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化.EnOcean 是一種新型的基于能量收集的超低功耗、短距離無線通信技術(shù). EnOcean 技術(shù)是指能夠從自然界中采集微弱能量，驅(qū)動設(shè)備發(fā)射或接受無線信號，并且可以根據(jù)EnOcean 標(biāo)準(zhǔn)自組織成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)[3].該技術(shù)有三大亮點: 能量收集、高質(zhì)量無線通信和轉(zhuǎn)換及超低功耗芯片組.EnOcean能量采集模塊能夠采集所處環(huán)境產(chǎn)生的微弱能量，從機械振動、人體動作、熱、電波、光等獲得微弱電力.這些能量經(jīng)過處理，用來供給EnOcean超低功耗的無線通訊模塊，實現(xiàn)真正的無數(shù)據(jù)線、無電源線、無電池的通訊系統(tǒng)[3].

為了適應(yīng)智能照明控制系統(tǒng)智能化、節(jié)能化等發(fā)展要求及解決照明系統(tǒng)中存在的問題，本研究提出了基于EnOcean的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了對照明設(shè)備的智能控制.

1幾種主流無線通信技術(shù)的比較

EnOcean是世界上唯一使用能量采集技術(shù)的無線國際標(biāo)準(zhǔn).與該領(lǐng)域的其他技術(shù)相比，EnOcean技術(shù)的主要優(yōu)點是無需電池[3].例如，50-60層大廈的管理系統(tǒng)有時會使用4 000-6 000個傳感器單元.如果各傳感器單元使用以電池為驅(qū)動的技術(shù)，電池的更換和管理工作就很繁重，令大廈管理者無所適從.EnOcean技術(shù)能夠保證在照明關(guān)閉5 d的情況下仍然可以工作.而其他技術(shù)的弱點就是以電池驅(qū)動裝置.EnOcean無線信號所需的電力是Zigbee的1/30-1/100.另外，由于EnOcean使用了1 GHz以下的頻段，因此它的傳輸距離較使用2.4 GHz的ZigBee及BLE要遠(yuǎn)，且干擾更少[4].表1內(nèi)容更直觀全面地對比了幾種主流的無線通信技術(shù)[3].

不同的無線通信技術(shù)各有其自身優(yōu)勢及最佳應(yīng)用領(lǐng)域：BLE屬于近距離無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于筆記本、手機、耳機、打印機以及近年來非?；馃岬拇┐魇诫娮釉O(shè)備；WLAN非常適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，可使電腦、平板、筆記本、手機等直接通信； Z-Wave是成功用于民用住房的簡單且單獨的系統(tǒng)；ZigBee當(dāng)前主要被用在近距離智能抄表以及家用智能開關(guān)上.這幾種無線通信協(xié)議的設(shè)備都需要電源/電池供電，相比較而言，EnOcean非常適合智能家居、智能抄表、智能樓宇、工業(yè)控制等應(yīng)用，所有支持EnOcean協(xié)議的傳感器、無線開關(guān)等都不需要電池/電源供電，整個通信系統(tǒng)實現(xiàn)了真正的無數(shù)據(jù)線、無電池、無電源線[3].此外，EnOcean的室內(nèi)傳輸距離高達(dá)30 m(用中繼器可達(dá)100 m)，空曠地帶傳輸距離為300 m.該技術(shù)同ZigBee、WLAN、BLE、Z-Wave等無線技術(shù)相比，最大的優(yōu)點就是自發(fā)電、功耗極低、幾乎無需保養(yǎng)及傳輸距離遠(yuǎn).

表1　幾種主流無線通信技術(shù)的比較

注：表中數(shù)據(jù)來源于EnOcean官網(wǎng).

2EnOcean工業(yè)智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本研究設(shè)計的智能照明系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程控制單元、外部網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)(家庭網(wǎng)關(guān))、智能內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備單元.其智能內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)由EnOcean子網(wǎng)控制單元和EnOcean信號中繼單元構(gòu)成[3].智能網(wǎng)關(guān)位于外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間，智能內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將家庭內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送給外部網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，用戶通過服務(wù)器訪問內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制信息.該智能工業(yè)照明系統(tǒng)總體框架如圖1所示.

2.1智能網(wǎng)關(guān)的硬件模塊設(shè)計

從功能、集成度以及性價比與功耗等方面考慮，選擇Texas Instruments(TI)公司以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的LM3S9B96處理器作為本智能家居系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)的核心芯片.LM3S9B96是TI公司開發(fā)的基于 ARM Cortex-M3 的 32 位 Stellaris系列微控制器之一.LM3S9B96 不但能夠完成智能網(wǎng)關(guān)對消息的處理和控制，還能夠完成對工業(yè)智能系統(tǒng)的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù).其主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換.

在圖2所示的智能網(wǎng)關(guān)電路框架中，EnOcean智能網(wǎng)關(guān)包括提供網(wǎng)關(guān)工作電源的電源模塊、用于連接EnOcean側(cè)網(wǎng)絡(luò)的EnOcean無線收發(fā)模塊、用于連接KNX側(cè)網(wǎng)絡(luò)的KNX總線模塊、用于連接Wifi側(cè)網(wǎng)絡(luò)的Wifi模塊及處理器模塊.

(1)處理器模塊采用TI公司以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的LM3S9B96處理器,連接KNX總線模塊、EnOcean無線收發(fā)模塊和Ethernet網(wǎng)絡(luò)模塊，用于控制、協(xié)調(diào)網(wǎng)關(guān)的工作運行，實現(xiàn)KNX側(cè)網(wǎng)絡(luò)、EnOcean側(cè)網(wǎng)絡(luò)及IP側(cè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使EnOcean單向設(shè)備發(fā)出的報文被識別為KNX組播報文， EnOcean雙向設(shè)備被識別為網(wǎng)關(guān)的KNX虛擬通訊對象.

圖1　智能照明系統(tǒng)總體框架

圖2　智能網(wǎng)關(guān)的電路框架

(2)EnOcean無線收發(fā)模塊采用EnOcean無線收發(fā)器TCM310模塊芯片.TCM310能夠?qū)崿F(xiàn)868 MHz的無線電系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)功能，可提供一個雙向串行接口和一個雙向無線通訊接口[3].與之雙向串行接口連接的處理器可以通過它透明地收發(fā)無線數(shù)據(jù)，還可以通過它發(fā)送無線控制命令，例如配置中繼器功能或管理智能ACK功能等.TCM310利用其智能ACK技術(shù)，可以充當(dāng)“郵件管理員”，管理多達(dá)15個雙向傳感器[3].圖3為本研究設(shè)計的EnOcean無線收發(fā)模塊的電路圖.

圖3　EnOcean無線收發(fā)模塊電路圖

(3)KNX總線模塊采用KNX串口收發(fā)器E981.03芯片.E981.03可以提供高達(dá)50 mA的直流電.供系統(tǒng)工作使用.KNX總線模塊包括KNX總線端口、KNX串口收發(fā)器和高速光耦模塊.KNX總線端口與KNX串口收發(fā)器相連接，高速光耦模塊與處理器模塊的串口相連接，KNX串口收發(fā)器與高速光耦模塊相連接.

(4)Ethernet網(wǎng)絡(luò)模塊采用LM3S9B96處理器自帶的包含PHY和MAC的以太網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò)電壓器HX2019NL.Ethernet網(wǎng)絡(luò)模塊包括RJ45以太網(wǎng)接口、以太網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò)變壓器模塊.RJ45以太網(wǎng)接口與網(wǎng)絡(luò)變壓器模塊相連接，網(wǎng)絡(luò)變壓器模塊分別與以太網(wǎng)控制器的以太網(wǎng)接口和以太網(wǎng)信號發(fā)送指示燈模塊相連接.

2.2EnOcean子網(wǎng)的控制單元硬件設(shè)計

EnOcean子網(wǎng)的控制單元是EnOcean子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備與外部控制中心聯(lián)系的橋梁，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的管理以及子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備與外部控制中心的數(shù)據(jù)交換.EnOcean子網(wǎng)控制單元主要包括電源模塊、復(fù)位模塊、時鐘模塊、微控制器模塊、射頻模塊、天線模塊以及UART接口轉(zhuǎn)USB接口模塊.EnOcean子網(wǎng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　EnOcean子網(wǎng)控制單元結(jié)構(gòu)

該單元采用EnOcean公司的集成模塊TCM310. TCM310模塊帶有一個雙向的串行通信接口和一個無線射頻通信接口，所用無線通信頻率為868 MHz.在TCM310內(nèi)部集成了天線模塊、時鐘模塊和一個射頻SOC芯片E03000I.E03000I是一款低功耗射頻SOC.它基于一個315/868 MHz的RF收發(fā)器和一個16 MHz的8051內(nèi)核.E03000I內(nèi)部有32 kB的Flash和2 kB的RAM，并具有10位準(zhǔn)確度的A-D和8位準(zhǔn)確度的D-A接口.E03000I具有極低的功耗，休眠模式的電流僅為0.2 μA.EnOcean子網(wǎng)控制單元和系統(tǒng)中心控制單元通過USB接口相連，直接由系統(tǒng)中心控制單元供電.

2.3EnOcean終端設(shè)備單元的硬件設(shè)計

EnOcean終端設(shè)備單元是整個系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)對環(huán)境光強的檢測和對照明設(shè)備光強的控制.該單元主要包括電源模塊、SOC芯片模塊、天線模塊、復(fù)位模塊、時鐘模塊、光強檢測模塊、PWM調(diào)光模塊和用戶外部按鍵模塊.EnOceann終端設(shè)備單元結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5　EnOcean終端設(shè)備單元結(jié)構(gòu)

天線模塊通過無線射頻通信方式與EnOcean子網(wǎng)控制單元或者EnOcean信號中繼單元連接.光強檢測模塊用于檢測環(huán)境光強值，為自動調(diào)節(jié)光強提供反饋信息.本系統(tǒng)采用的BH1620光強檢測傳感器靈敏度高，體積小巧.調(diào)光模塊為EnOcean設(shè)備終端單元中的執(zhí)行機構(gòu)，本研究采用的是一款LED驅(qū)動芯片PT4115.PT4115是一款電感電流導(dǎo)通型降壓恒流源，有效工作電壓為6～30 V，最大輸出電流為1.2 A. 調(diào)光模塊通過DIM引腳可實現(xiàn)模擬調(diào)光或范圍很寬的PWM調(diào)光.

3EnOcean工業(yè)智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)軟件的主要功能包括:對EnOcean子網(wǎng)控制單元或者遠(yuǎn)程管理單元的接入管理、EnOcean子網(wǎng)端和遠(yuǎn)程管理終端間的信息交換、提供人機交互接口以及實現(xiàn)控制等.

智能網(wǎng)關(guān)軟件的主流程如圖6所示.系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括對EnOcean子網(wǎng)單元的檢測及遠(yuǎn)程管理終端單元的接入管理等，然后對外部設(shè)置進(jìn)行讀取，判斷控制模式.

(1)如果為“自動控制”模式，則設(shè)置期望光強值，保存期望光強值.發(fā)送“光強查詢”信息到EnOcean子網(wǎng)控制單元 ，所述“光強查詢”信息包含數(shù)據(jù)包目的地址信息.讀取反饋信息，獲取光強值信息.計算所需控制輸出值.發(fā)送“光強設(shè)定”信息到EnOcean子網(wǎng)控制單元.設(shè)置控制定時器初值.等待控制定時器中斷，當(dāng)控制定時器中斷后,發(fā)送“光強查詢”信息到EnOcean子網(wǎng)控制單元.

(2)如果為“手動控制”模式，則直接檢測網(wǎng)口端有無信息.若網(wǎng)口端有信息，則轉(zhuǎn)發(fā)信息到EnOcean子網(wǎng)控制單元.如無信息，則檢測有無外部輸入信號， 若有操作信號輸入，則設(shè)置亮度控制值，發(fā)送“光強設(shè)定”信息到EnOcean子網(wǎng)控制單元，所述“光強設(shè)定”信息包含數(shù)據(jù)包目的地址信息和光強設(shè)定值，讀取反饋信息，在圖形窗口中顯示反饋信息；若無信號則直接返回判斷網(wǎng)口端有無信息.

圖6　智能網(wǎng)關(guān)軟件的主流程

3.2EnOcean子網(wǎng)控制單元的軟件設(shè)計

EnOcean子網(wǎng)控制單元是EnOcean子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備與外部聯(lián)系的橋梁，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的管理以及子網(wǎng)內(nèi)設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換.

EnOcean子網(wǎng)控制軟件的主流程如圖7所示.系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括對EnOcean子網(wǎng)單元的檢測及EnOcean信號中繼單元的接入管理等，建立EnOcean網(wǎng)絡(luò)，然后與家庭網(wǎng)關(guān)建立連接，讀取USB接口端信息，將讀取的信息進(jìn)行處理.處理后信息由天線模塊發(fā)給EnOcean的信號中繼單元或者EnOcean終端設(shè)備，最后將應(yīng)答信息轉(zhuǎn)發(fā)到家庭網(wǎng)關(guān)控制單元.

圖7　EnOcean子網(wǎng)控制軟件的主流程

3.3遠(yuǎn)程控制單元的軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程控制單元主要用于實現(xiàn)照明設(shè)備的靈活控制.為了保證系統(tǒng)的安全性，遠(yuǎn)程控制單元的軟件應(yīng)具有用戶驗證功能.當(dāng)打開軟件，進(jìn)行用戶驗證以后，在軟件界面上顯示房間信息和設(shè)置信息(包括一鍵全開，一鍵全關(guān))，單擊對應(yīng)的房間，即可顯示當(dāng)前房間內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)和亮度.試驗結(jié)果表明，本研究設(shè)計的實驗系統(tǒng)運行正常，能夠?qū)φ彰髟O(shè)備的開關(guān)和光強進(jìn)行靈活調(diào)節(jié).

4結(jié)束語

本研究基于EnOcean技術(shù)設(shè)計的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)功能完善，布線少，操作簡便，維護(hù)和改造方便，節(jié)約資源.本系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用需求，在傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了可移動的遠(yuǎn)程管理終端、EnOcean子網(wǎng)控制單元、EnOcean信息中繼單元和EnOcean終端設(shè)備單元，整個系統(tǒng)功能完善，符合未來工業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向.

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Design of Intelligent Light System Based on EnOcean Technology

SONG Sheng-tao,LI Ren-wang,WANG Hai-zhou,WANG Wei-wei,YANG Zhen

(School of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Abstract：This paper puts forward a kind of design scheme that EnOcean technology is applied for intelligent lighting control system. Based on which we design the smart gateway， smart network as well as the EnOcean terminal unit. Advantages of EnOcean including high communication and energy collectingcan meet the requirements of the modern smart system of wireless，no battery，no power cord and long transmission distance.The test results show that the system performance is stable with good scalability and energy saving effect.

Key words:intelligent light system；EnOcean technology；intelligent gateway；no battery

中圖分類號：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：宋圣濤(1989-),男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為嵌入式開發(fā).

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475434)

收稿日期：2015-10-08

文章編號：1006-3269(2016)01-0001-05