基于MMS的城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張 玲 郝翠霞

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210046)

1 引言

隨著信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展，“數(shù)字城市”已成為當(dāng)今全球城市信息化建設(shè)的熱點(diǎn)。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(shù)、照明技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、多媒體技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感、遙測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)等對(duì)城市的照明設(shè)施及照明效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與管理，并為“數(shù)字城市”管理系統(tǒng)提供輔助決策服務(wù)。

目前3G通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)通信總線、短距離無線通信網(wǎng) (如ZigBee)等通信技術(shù)已發(fā)展成熟，完全能應(yīng)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(tái)，通過統(tǒng)一的接入與控制協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(jié)構(gòu)

城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)可分為3個(gè)層次，分別是:①設(shè)置于全市和各區(qū)縣的統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)WCS;②設(shè)置于各大樓、廣場(chǎng)、道路的區(qū)域控制器NCS;③設(shè)置于照明配電箱內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)控制器LC。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

(1)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)WCS。協(xié)調(diào)整個(gè)城市景觀照明和路燈照明的運(yùn)行及綜合管理，對(duì)所有子照明系統(tǒng)進(jìn)行控制和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、跨平臺(tái)操作系統(tǒng)、城市亮化照明控制軟件、設(shè)備信息管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、維護(hù)管理系統(tǒng)等。系統(tǒng)融合3G通信網(wǎng)絡(luò)，在城市監(jiān)控中心與各區(qū)域監(jiān)控分中心計(jì)算機(jī)之間形成一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)。各區(qū)域控制器NCS首先通過3G網(wǎng)絡(luò)將照明監(jiān)控?cái)?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(luò)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(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)照明控制器LC和相關(guān)控制設(shè)備的信息，處理后通過3G網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)設(shè)備或?qū)⒖刂泼钷D(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)控制器LC。

(3)現(xiàn)場(chǎng)照明控制器LC。將來自區(qū)域控制器NCS的控制命令轉(zhuǎn)換為不同照明燈具可接受的控制信號(hào)。對(duì)于普通照明路燈，將NCS系統(tǒng)發(fā)過來的網(wǎng)絡(luò)控制命令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制接點(diǎn)信號(hào)，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(duì)于LED調(diào)光燈，則是將NCS發(fā)來的指令轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)控制LED燈的開閉及調(diào)光;對(duì)于基于DMX512或DALI標(biāo)準(zhǔn)的變色燈，則將NCS的指令轉(zhuǎn)換為DMX512或DALI控制信號(hào)。

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(chǎng)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(luò)參考MMS(Microsoft Media Server Protocol)協(xié)議 (MNS是基于XML描述語言的制造報(bào)文規(guī)范、適用于多設(shè)備互聯(lián))，并在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)修改調(diào)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(chǎng)照明控制器LC的硬件設(shè)計(jì)

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(guān)鍵部分，應(yīng)具有可靠性高、接口豐富、控制靈活方便、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中NCS的硬件采用嵌入式設(shè)計(jì)，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(tái)?？刂破骺商峁?路獨(dú)立IP端口的以太網(wǎng)接口，這4個(gè)接口可以設(shè)計(jì)為RJ45電接口，也可以設(shè)計(jì)為光纖以太網(wǎng)接口。圖2所示為其中一個(gè)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(gè)物理層網(wǎng)絡(luò)處理芯片。本設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)。

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(chǎng)照明控制器LC

現(xiàn)場(chǎng)照明控制器LC采用高速率的單片機(jī)(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(luò)控制器，支持TCP/IP、UDP、HTTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并可與無線GPRS/APN結(jié)合，組成遠(yuǎn)程無線終端。

每個(gè)照明現(xiàn)場(chǎng)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(hào)接口。照明控制盡管已發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，但目前DMX512信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用仍然很廣泛，在大型的網(wǎng)絡(luò)化燈光控制系統(tǒng)的末端仍然大量采用DMX512信號(hào)控制方式。圖3所示為現(xiàn)場(chǎng)照明控制器中DMX512接口電路圖。

圖3中ST16C554可擴(kuò)展4個(gè)異步通信端口，其中1路經(jīng)過右側(cè)的光電隔離后通過MAX1487輸出驅(qū)動(dòng)，按照DMX512信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)與智能燈具連接。圖4所示為LC控制器輸出的DMX512信號(hào)波形圖。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)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(hào)波形圖Fig.4 DMX512 signal waveform

如圖4所示，DMX512數(shù)字信號(hào)由起始碼和512個(gè)數(shù)據(jù)幀 (字節(jié))組成，同步信息由一個(gè)“BREAK”和一個(gè)“MAB”構(gòu)成，按串行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對(duì)于調(diào)光系統(tǒng)，每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)表示每一路的調(diào)光亮度值，0～255代表0～100%的亮度值，一個(gè)DMX512信號(hào)的最大控制回路為512路。對(duì)于智能燈具，這512個(gè)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(gè)DMX512信號(hào)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(huì)接入各種各樣的設(shè)備，還有不斷涌現(xiàn)的新設(shè)備。這些設(shè)備為城市照明提供了豐富的表現(xiàn)手段和技術(shù)保障，但要讓如此眾多的設(shè)備依照一定的標(biāo)準(zhǔn)融入到一個(gè)系統(tǒng)中，并在控制計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一調(diào)度之下協(xié)同工作卻絕非易事。

本系統(tǒng)中所有接入設(shè)備均采用RJ45以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)，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(bào)文規(guī)范MMS標(biāo)準(zhǔn)。

MMS是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO第184技術(shù)委員會(huì)—— “工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成”TC184制訂的用于開發(fā)和維護(hù)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的獨(dú)立國際標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文規(guī)范。MMS是通過對(duì)真實(shí)設(shè)備及其功能進(jìn)行建模的方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序或智能電子設(shè)備 (Intelligent Electronic Devices，IED)之間數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)交換。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織出臺(tái)MMS是為了規(guī)范工業(yè)領(lǐng)域具有通信能力的智能傳感器、智能電子設(shè)備IED、智能控制設(shè)備的通信行為，讓出自不同廠商的設(shè)備之間具有互操作性，使系統(tǒng)集成變得簡單、方便。

對(duì)智能照明設(shè)備虛擬化建模VMD(Virtual Manufacturing Device)是本系統(tǒng)最重要的一個(gè)技術(shù)核心。MMS定義了MMS服務(wù)器應(yīng)用過程的外部可見功能，此功能是由VMD的描述實(shí)體來建模的。VMD存在于MMS服務(wù)器應(yīng)用過程中，構(gòu)成信息處理任務(wù)部分，對(duì)一組資源進(jìn)行監(jiān)控，并與一個(gè)實(shí)設(shè)備IED在功能上相關(guān)。一個(gè)應(yīng)用過程 (AP)可以包含零個(gè)或多個(gè)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(gè)VMD表示一個(gè)虛擬智能設(shè)備，將照明燈具、電源設(shè)備、控制設(shè)備虛擬化為控制節(jié)點(diǎn)或測(cè)量節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用程序客戶端通過 MMS系統(tǒng)操作VMD設(shè)備，再通過VMD操作到實(shí)設(shè)備。圖6為客戶端AP與VMD虛擬照明燈通信示意圖。

MMS服務(wù)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(wù)和具體變量與IED提供的服務(wù)和變量 (如測(cè)量值、自檢報(bào)告、故障事故報(bào)告、控制信號(hào)等)的映射關(guān)系。這一過程可以專門建立一個(gè)IED配置工具，采用配置描述語言XML來描述相關(guān)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(diǎn)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(shè)備，邏輯節(jié)點(diǎn)以及包含在其中的數(shù)據(jù)是描述實(shí)際系統(tǒng)和功能的基本組成部分。而邏輯節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)的容器，可以將真實(shí)的照明設(shè)備按功能分解為邏輯節(jié)點(diǎn)，再根據(jù)需要將邏輯節(jié)點(diǎn)組合成邏輯設(shè)備。表2中的M_MP邏輯節(jié)點(diǎn)就可能包含:開關(guān)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(cè)量數(shù)據(jù)、開關(guān)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(diǎn)描述 (示例)Table 1 Lighting control node description(example)

表2 照明測(cè)量節(jié)點(diǎn)描述 (示例)Table 2 Lighting measurement node description(example)

邏輯設(shè)備則是由一系列邏輯節(jié)點(diǎn)以及操作邏輯節(jié)點(diǎn)的服務(wù)構(gòu)成，完成對(duì)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(gè)邏輯設(shè)備、將路燈定義為一個(gè)邏輯設(shè)備、將庭院燈定義為一個(gè)邏輯設(shè)備，在每個(gè)邏輯設(shè)備中至少包含一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。圖7所示就是包含一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的邏輯設(shè)備，它對(duì)外所提供的服務(wù)包括測(cè)量值服務(wù) (電壓、電流等)，事件服務(wù) (開關(guān)跳閘、控制燈開閉等)以及報(bào)告服務(wù) (燈具信息描述、故障記錄等)。

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

無論是哪種服務(wù)，其服務(wù)描述均采用XML(Xtensible Markup Language，超文本標(biāo)記語言)以滿足抽象通信服務(wù)與MMS映射服務(wù)的對(duì)接要求。具體描述和應(yīng)用體現(xiàn)在以下四類文件當(dāng)中:

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

(2)SSD文件。描述照明子系統(tǒng)功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及通信設(shè)置。

(3)SCD文件。用來說明如何將各個(gè)IED整合成為一個(gè)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(shí)例化IED設(shè)備信息，將SCD文件中與實(shí)例IED有關(guān)的信息分離出來，生成CID文件，發(fā)給相應(yīng)的IED進(jìn)行具體的配置。

參考MMS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)照明綜合計(jì)算機(jī)監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，采用分層、面向?qū)ο蠼５榷喾N新技術(shù)，其底層直接映射到MMS上，為應(yīng)用系統(tǒng)提供一致的通信界面。

5 結(jié)束語

本文所闡述的城市照明無線監(jiān)控系統(tǒng)將應(yīng)用于某科技園區(qū)，在園區(qū)范圍內(nèi)對(duì)路燈、泛光燈、庭院燈、輪廓燈以及噴泉夜景等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，在實(shí)際應(yīng)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(diào)度。系統(tǒng)采用了制造報(bào)文規(guī)范MMS，將對(duì)接入的各類繁雜照明燈具進(jìn)行智能化改造，按照照明功能重新組合成邏輯照明設(shè)備，對(duì)邏輯設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一編寫相應(yīng)的控制代碼，從而在接入各類設(shè)備時(shí)提供一致的界面。本系統(tǒng)除應(yīng)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(yīng)用于給排水、燃?xì)獾绕渌鞘斜O(jiān)控管理系統(tǒng)中，為城市綜合管理系統(tǒng)中各種設(shè)備和信息相融合起到一定的示范作用。

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