牛衍方,孫德棟,龔桃榮,辛 軍

(1.北京申安投資集團(tuán)有限公司，北京 102602；2.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100031；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；4.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 450052)

可見(jiàn)光通信技術(shù)在智能工業(yè)照明中的應(yīng)用研究

牛衍方1,孫德棟2,龔桃榮3,辛 軍4

(1.北京申安投資集團(tuán)有限公司，北京 102602；2.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100031；3.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；4.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，河南 鄭州 450052)

我們提出一種基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)，基于可見(jiàn)光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)我們將其應(yīng)用于智能工業(yè)照明領(lǐng)域。在智能工業(yè)照明應(yīng)用中，該系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的節(jié)能管理，又可利用該智能照明控制系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)中物品信息定位、自動(dòng)化流水線上檢測(cè)結(jié)果分析，這滿足“工業(yè)4.0”對(duì)智慧工廠信息化、人性化建設(shè)需求。

智能照明；控制系統(tǒng)；可見(jiàn)光通信；工業(yè)4.0； VR

引言

隨著LED照明產(chǎn)品在工業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對(duì)智能工業(yè)照明提出了新要求。“工業(yè)4.0”是對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)的全面數(shù)字化、智慧化升級(jí)，同時(shí)也對(duì)信息技術(shù)應(yīng)用提出更高的要求，最終達(dá)到快速、有效、人性化體驗(yàn)的產(chǎn)品供應(yīng)。本文依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，提出基于可見(jiàn)光通信的智能照明系統(tǒng)，不但能滿足人們對(duì)工廠內(nèi)大功率照明設(shè)備的合理有效分配進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化節(jié)能管理，還能夠?yàn)椴糠謪^(qū)域進(jìn)行信息化管理升級(jí)[1]。

而本文主要著重講述可見(jiàn)光通信技術(shù)在智能工業(yè)照明應(yīng)用中的探索與研究。基于白光LED 的可見(jiàn)光通信技術(shù)提供一種全新的數(shù)據(jù)通信方式，具有多領(lǐng)域，多場(chǎng)景，多行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景。

1 可見(jiàn)光通信技術(shù)特點(diǎn)

可見(jiàn)光通信是照明與通信的深度融合。具有以下特點(diǎn)：①頻譜較寬，免頻譜許可授權(quán)?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)380～780 nm即具有405THz的巨大帶寬，是整個(gè)無(wú)線頻譜的10 000倍。②無(wú)電磁干擾，抗干擾性強(qiáng)?？捎糜跈C(jī)艙、醫(yī)院、核電站等對(duì)電磁干擾比較敏感或受電磁干擾嚴(yán)重的地方的無(wú)線接入。③發(fā)射功率高，通信速率快。白光LED在通信方面突出優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間非常短，因此可以用LED進(jìn)行超高速數(shù)據(jù)通信。

不同的無(wú)線通信技術(shù)各有其自身優(yōu)勢(shì)及最佳應(yīng)用領(lǐng)域：BLE屬于近距離無(wú)線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、耳機(jī)、筆記本、穿戴式設(shè)備；Wifi非常適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，可使電腦、平板、筆記本、手機(jī)等直接通信；ZigBee當(dāng)前主要被用在近距離智能抄表及家用智能開(kāi)關(guān)上。這幾種無(wú)線通信協(xié)議設(shè)備與可見(jiàn)光通信相比，功能單一、受環(huán)境干擾、穩(wěn)定性、保密性不具有優(yōu)勢(shì)，而可見(jiàn)光通信的缺點(diǎn)也非常明顯：不能穿透障礙物而受到阻擋，傳輸距離有限。幾種無(wú)線通信技術(shù)比較參見(jiàn)表1。

表1 幾種無(wú)線通信技術(shù)比較

基于上述無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用VLC的室內(nèi)無(wú)線接入系統(tǒng)，并不會(huì)替代現(xiàn)有的無(wú)線通信接入系統(tǒng)，而是在現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)在某些特殊場(chǎng)景中的應(yīng)用，或者是在現(xiàn)有的蜂窩無(wú)線通信接入系統(tǒng)上的一個(gè)有效的補(bǔ)充。VLC應(yīng)與現(xiàn)有通信系統(tǒng)協(xié)同工作，共同為用戶提供高速寬帶接入服務(wù)，從而將VLC的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮地更好。

2 基于VLC的智能照明控制系統(tǒng)

本文研究設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制單元、外部網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、子網(wǎng)控制單元、子網(wǎng)中繼單元、設(shè)備終端構(gòu)成。設(shè)備終端與子網(wǎng)中繼單元采用可見(jiàn)光通信連接，采用串行的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成一條高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌?。每個(gè)設(shè)備終端都作為數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)，這樣即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備地址的自動(dòng)編寫，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保障，也可實(shí)現(xiàn)某一設(shè)備終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)回傳；子網(wǎng)中繼單元與子網(wǎng)控制單元的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間采用雙絞線(如以太網(wǎng))連接，子網(wǎng)控制單元可將各路子網(wǎng)中繼單元的數(shù)據(jù)匯總，實(shí)現(xiàn)部分功能設(shè)定進(jìn)行設(shè)備終端控制，且具有人工操作的人機(jī)界面；子網(wǎng)控制單元與智能網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)才有雙絞線(如以太網(wǎng))連接，智能網(wǎng)關(guān)不僅要把子網(wǎng)控制單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理，同時(shí)還要完成用戶通過(guò)遠(yuǎn)程控制單元對(duì)智能網(wǎng)關(guān)的訪問(wèn)。該智能工業(yè)照明系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

信息反饋單元是將采集的信息通過(guò)信道轉(zhuǎn)換單元傳遞至智能網(wǎng)關(guān)，存儲(chǔ)并做進(jìn)一步信息處理，以便用戶訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)查詢。信道轉(zhuǎn)換單元中的信號(hào)主要有KNX、ZigBee兩種，因?yàn)樗鼈兪枪I(yè)控制領(lǐng)域最常用的通信信道，智能網(wǎng)關(guān)需要分別對(duì)KNX、ZigBee兩種總線通信模塊進(jìn)行處理。

圖1 智能工業(yè)照明系統(tǒng)框架Fig.1 Intelligent industrial lighting system framework

2.1硬件設(shè)計(jì)

1)智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)。從功能、集成度、性價(jià)比等方面考慮，選擇意法半導(dǎo)體(SGS-THOMSON Microelectronics，簡(jiǎn)稱ST)公司以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F407處理器作為智能網(wǎng)關(guān)的核心芯片。該芯片是STM32系列微處理器之一，具有較高的功能集成度、性價(jià)比，STM32F407不但能夠完成智能網(wǎng)關(guān)對(duì)消息的處理和控制，還能夠完成對(duì)工業(yè)智能照明系統(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)，其主要功能是完成用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及管理。

在圖2的智能網(wǎng)關(guān)電路框架中，處理器模塊采用32位的STM32處理器，用于控制、協(xié)調(diào)網(wǎng)關(guān)的工作運(yùn)行。子網(wǎng)控制單元把多路子網(wǎng)中繼單元數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)以太網(wǎng)方式傳至智能網(wǎng)關(guān)，需要智能網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)路由器的作用；智能網(wǎng)關(guān)還包括WiFi模塊、以太網(wǎng)模塊、KNX總線模塊、ZigBee通信模塊，用戶既可以通過(guò)WiFi模塊管理訪問(wèn)智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，也可通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器訪問(wèn)IP網(wǎng)絡(luò)地址實(shí)現(xiàn)。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)框架Fig.2 Intelligent gateway framework

通過(guò)圖3可知，子網(wǎng)控制單元電路中的處理器與智能網(wǎng)關(guān)基本一致，具有預(yù)留可見(jiàn)光通信收發(fā)模塊、WiFi模塊、人機(jī)接口模塊、以太網(wǎng)組模塊最多可以接入16路，如圖3所示。主要用于收集終端設(shè)備反饋回傳的數(shù)據(jù)以及功能設(shè)定，如設(shè)備地址編寫、調(diào)控、固件升級(jí)。其具有子網(wǎng)中繼單元的所有功能，可做現(xiàn)場(chǎng)輔助調(diào)試。

圖3 子網(wǎng)控制單元框架Fig.3 Sub network control unit framework

2)終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)。終端設(shè)備單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在照明控制方面須完成對(duì)環(huán)境光檢測(cè)進(jìn)而對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)節(jié)。在通信方面是利用可見(jiàn)光作為通信媒介，廠房用燈在空間布局對(duì)可見(jiàn)光通信提供了良好的基礎(chǔ)條件?？梢?jiàn)光接收模塊接收到上一節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的可見(jiàn)光信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，若與該節(jié)點(diǎn)地址ID相符則執(zhí)行指令，若不是則傳送至可見(jiàn)光發(fā)送模塊。根據(jù)圖4可知，終端設(shè)備采用2個(gè)處理器，該單片機(jī)采用的是Silicon Labs的C8051F381，有25個(gè)端口I/O，2 304B數(shù)據(jù)RAM，32 kB Flash，4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。另外，具有豐富的外設(shè)接口，支持USB 2.0、SPI、UART串口等，能夠滿足系統(tǒng)需要的所有功能，同時(shí)價(jià)格低廉。BLE模塊用來(lái)與外部通信終端連接，在智能工廠的管理系統(tǒng)中發(fā)揮著訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的作用。

如圖5所示，該系統(tǒng)是要將所有的終端設(shè)備連接成一個(gè)閉環(huán)的通信網(wǎng)絡(luò)。我們知道廠房燈安裝間距一般都在10 m范圍以內(nèi)，此時(shí)還應(yīng)使可見(jiàn)光發(fā)送模塊發(fā)射功率達(dá)到3 W左右，才可保證可見(jiàn)光通信速率達(dá)到40 Mbps左右。這一中速的通信網(wǎng)絡(luò)可以滿足較多的用戶訪問(wèn)量，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，對(duì)推廣智能工廠奠定一個(gè)良好的通信基礎(chǔ)。閉環(huán)的通信回路還可按照“節(jié)點(diǎn)加一”規(guī)則進(jìn)行燈具地址自動(dòng)編寫，省去預(yù)設(shè)地址的工作量。

圖4 終端設(shè)備硬件電路框架Fig.4 Terminal hardware circuit framework

圖5 終端設(shè)備(節(jié)點(diǎn))鏈路示意圖Fig.5 Schematic diagram of terminal equipment link

2.2軟件設(shè)計(jì)

1)智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)。智能網(wǎng)關(guān)軟件的主要功能包括：對(duì)子網(wǎng)控制單元或者遠(yuǎn)程控制單元的接入管理；終端設(shè)備與遠(yuǎn)程控制單元間的信息交換；提供人機(jī)交互接口以及實(shí)現(xiàn)管理控制，如圖6所示。

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)子網(wǎng)單元的檢測(cè)及遠(yuǎn)程管理終端單元的接入管理等，然后對(duì)外部設(shè)置進(jìn)行讀取，判斷執(zhí)行控制模式。

(i)如果為“自動(dòng)控制”模式，則設(shè)置期望光強(qiáng)值，保存期望光強(qiáng)值，發(fā)送“光強(qiáng)查詢”信息子網(wǎng)控制單元，所述“光強(qiáng)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(qiáng)值信息。計(jì)算所需控制輸出值，發(fā)送“光強(qiáng)設(shè)定”信息到子網(wǎng)控制單元。設(shè)置控制定時(shí)器初值，等待控制定時(shí)器中斷后，發(fā)送“光強(qiáng)查詢”信息到子網(wǎng)控制單元。

(ii)如果為“手動(dòng)控制”模式，則直接檢測(cè)網(wǎng)口端有無(wú)信息。若網(wǎng)口端有信號(hào)，則轉(zhuǎn)發(fā)信息到子網(wǎng)控制單元。若無(wú)信息，則檢測(cè)有無(wú)外部輸入信號(hào)，若有操作信號(hào)輸入，則設(shè)置亮度控制值，發(fā)送“光強(qiáng)設(shè)定”信息到子網(wǎng)控制單元，所述“光強(qiáng)設(shè)定”信息包含數(shù)據(jù)包目的地址信息和光強(qiáng)設(shè)定值，讀取反饋信息，在圖形窗口中顯示反饋信息；若無(wú)信號(hào)則直接返回判斷網(wǎng)口端有無(wú)信號(hào)。

圖6 智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Intelligent gateway software design flow unit

2)子網(wǎng)控制單元軟件設(shè)計(jì)。子網(wǎng)控制單元是實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)端終端設(shè)備與用戶、服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的管理，如圖7所示。

圖7 子網(wǎng)控制單元軟件流程圖Fig.7 Sub network control software flow unit

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)終端設(shè)備的檢測(cè)以及子網(wǎng)中繼單元的接入管理等，建立單一系統(tǒng)構(gòu)成的可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)，然后與智能網(wǎng)關(guān)建立連接，讀取以太網(wǎng)接口信息，將讀取的信息進(jìn)行處理。處理后的信息通過(guò)子網(wǎng)中繼單元的可見(jiàn)光通信發(fā)給終端設(shè)備。最后將終端設(shè)備的應(yīng)答信息轉(zhuǎn)發(fā)到智能網(wǎng)關(guān)控制單元。

3)遠(yuǎn)程控制單元軟件設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程控制單元主要用于實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的靈活控制，為保證系統(tǒng)的安全性，遠(yuǎn)程控制單元的軟件需具有用戶驗(yàn)證功能。打開(kāi)軟件時(shí)，進(jìn)行用戶驗(yàn)證，在界面上顯示設(shè)置信息、廠房信息，當(dāng)單擊對(duì)應(yīng)廠房時(shí)，應(yīng)即可顯示當(dāng)前房間內(nèi)的照明控制設(shè)備、終端設(shè)備狀態(tài)和亮度。運(yùn)行時(shí)不僅能夠完成根據(jù)設(shè)定對(duì)照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)，還要完成根據(jù)環(huán)境變化、人員稀疏做進(jìn)一步節(jié)能管理的深化[2]。

3 VLC在智能工業(yè)照明的應(yīng)用

根據(jù)前面內(nèi)容的闡述可知，基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)，不僅能作為智能照明管理系統(tǒng)，還可利用該系統(tǒng)平臺(tái)建立一個(gè)快速的通信局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及海量數(shù)據(jù)訪問(wèn)?？梢?jiàn)光通信在智能工業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用，與其他基于KNX總線、ZigBee蜂窩不同，其還可采用成像輔助定位算法實(shí)現(xiàn)高精度定位以用于智能機(jī)器人替代人工[3]；還可利用該智能照明控制系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能倉(cāng)儲(chǔ)中物品信息定位、自動(dòng)化流水線上檢測(cè)結(jié)果分析，引發(fā)未來(lái)在工業(yè)生產(chǎn)中掀起視覺(jué)工作界面的革命，以滿足“工業(yè)4.0”對(duì)智慧工廠信息化、人性化建設(shè)需求[4]。

如圖8所示，可見(jiàn)光信號(hào)從第一個(gè)終端設(shè)備開(kāi)始傳至下一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，每盞燈具間隔10 m，連接20個(gè)后回傳至子網(wǎng)中繼單元的可見(jiàn)光接收部分。根據(jù)前面所述單個(gè)可見(jiàn)光發(fā)送模塊的發(fā)光功率在3 W左右，通過(guò)計(jì)算可知該廠房?jī)?nèi)的照明總功率除了每盞燈具的又增加了60 W左右的照明功率。

圖8 廠房燈的通信網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.8 Schematic diagram of communication network for workshop lamp

4 結(jié)束語(yǔ)

在“工業(yè)4.0”時(shí)代下，信息技術(shù)將要經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)創(chuàng)新革命，而智能工業(yè)照明作為L(zhǎng)ED照明應(yīng)用的一部分，其既是被改造的對(duì)象，也為改造提供了一種方法和手段。基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)與照明場(chǎng)景相結(jié)合充分發(fā)揮了可見(jiàn)光通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)智能工廠中的通信提供了一種方法，該通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高于傳統(tǒng)智能照明控制系統(tǒng)，為更好地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)帶來(lái)的視覺(jué)感受提供了一種通信基礎(chǔ)。

[1] 王喜文. 工業(yè)4.0:智能工業(yè)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2013(12):3-4.

[2] 陳廣，李曉卉，趙兵，等.基于EnOcean技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].建筑電氣,2015,34(2):26-29.

[3] 婁鵬華, 張洪明, 郎凱, 等. 基于室內(nèi)可見(jiàn)光照明的位置服務(wù)系統(tǒng)[J].光電子與激光, 2012(12): 011.

[4] 鄧健志，程小輝.基于可見(jiàn)光通信的溶洞景區(qū)照明控制方法研究[J].電視技術(shù),2014,38(9):193-196.

ApplicationofVisibleLightCommunicationTechnologyintheIntelligentIndustrialLighting

NIU Yanfang1, SUN Dedong2, GONG Taorong3, XIN Jun4
(1.BeijingShenanInvestmentGroupCO,Ltd,Beijing102602,China; 2.STATEGRIDInformation&TelecommunicationGroupCO.,Ltd.,Beijing100031,China; 3.BeijngSmart-chipMicroelectronicsTechnologyLtd.,Beijng102200,China;4.ZhengzhouPowerSupplyCompanyofStateGridHeNanElectricPowerCompany,Zhengzhou450052,China)

The intelligent lighting control system based on visible light communication technology is put forward, and the advantage of visible light communication is applied in the intelligent industrial lighting. In the intelligent industrial lighting applications, the system not only can realize the energy saving management of lighting equipment, but also can combine the intelligent lighting control system and virtual reality (VR) to achieve intelligent storage of goods in the information positioning and automated pipeline test results analysis, which can meet the “industrial 4.0” needs on intelligent factory information and humanization construction needs.

smart lighting; control system; visible light communication; industry 4.0; VR

TN929.12

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.007

國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目《面向電網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的可見(jiàn)光通信技術(shù)研究》(合同編號(hào)：SGHAZZ00FCJS1500238)。