基于EnOcean技術的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)設計

宋圣濤，李仁旺，王海州，王維維，楊　震

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

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基于EnOcean技術的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)設計

宋圣濤，李仁旺，王海州，王維維，楊震

(浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

摘要：提出一種將EnOcean技術應用于工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)的設計方案，并在此基礎上設計了智能網關、智能內部網絡以及EnOcean終端設備單元.利用EnOcean技術高質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的系統(tǒng)要求.測試結果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有良好的可擴展性和節(jié)能效果.

關鍵詞：智能照明控制系統(tǒng)；EnOcean技術；智能網關；無電池

隨著科學技術的發(fā)展與人們對生活質量要求不斷提高， 人們對工業(yè)智能照明無線化、網絡化、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)其網絡化.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. EnOcean 技術是指能夠從自然界中采集微弱能量，驅動設備發(fā)射或接受無線信號，并且可以根據(jù)EnOcean 標準自組織成無線傳感網絡的技術[3].該技術有三大亮點: 能量收集、高質量無線通信和轉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)設計方案，實現(xiàn)了對照明設備的智能控制.

1幾種主流無線通信技術的比較

EnOcean是世界上唯一使用能量采集技術的無線國際標準.與該領域的其他技術相比，EnOcean技術的主要優(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動的技術，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技術能夠保證在照明關閉5 d的情況下仍然可以工作.而其他技術的弱點就是以電池驅動裝置.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，且干擾更少[4].表1內容更直觀全面地對比了幾種主流的無線通信技術[3].

不同的無線通信技術各有其自身優(yōu)勢及最佳應用領域：BLE屬于近距離無線通信技術，被廣泛應用于筆記本、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當前主要被用在近距離智能抄表以及家用智能開關上.這幾種無線通信協(xié)議的設備都需要電源/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)控制等應用，所有支持EnOcean協(xié)議的傳感器、無線開關等都不需要電池/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的室內傳輸距離高達30 m(用中繼器可達100 m)，空曠地帶傳輸距離為300 m.該技術同ZigBee、WLAN、BLE、Z-Wave等無線技術相比，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.

表1　幾種主流無線通信技術的比較

注：表中數(shù)據(jù)來源于EnOcean官網.

2EnOcean工業(yè)智能照明系統(tǒng)的硬件設計

本研究設計的智能照明系統(tǒng)主要包括遠程控制單元、外部網絡、智能網關(家庭網關)、智能內部網絡、設備單元.其智能內部網絡由EnOcean子網控制單元和EnOcean信號中繼單元構成[3].智能網關位于外部網絡與內部網絡之間，智能內部網絡將家庭內部的環(huán)境數(shù)據(jù)經過智能網關發(fā)送給外部網絡的服務器，用戶通過服務器訪問內部的環(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智能網關的硬件模塊設計

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為內核的LM3S9B96處理器作為本智能家居系統(tǒng)智能網關的核心芯片.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關對消息的處理和控制，還能夠完成對工業(yè)智能系統(tǒng)的設備控制、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務.其主要功能是進行數(shù)據(jù)的轉換.

在圖2所示的智能網關電路框架中，EnOcean智能網關包括提供網關工作電源的電源模塊、用于連接EnOcean側網絡的EnOcean無線收發(fā)模塊、用于連接KNX側網絡的KNX總線模塊、用于連接Wifi側網絡的Wifi模塊及處理器模塊.

(1)處理器模塊采用TI公司以ARM Cortex-M3為內核的LM3S9B96處理器,連接KNX總線模塊、EnOcean無線收發(fā)模塊和Ethernet網絡模塊，用于控制、協(xié)調網關的工作運行，實現(xiàn)KNX側網絡、EnOcean側網絡及IP側網絡之間的數(shù)據(jù)轉換，使EnOcean單向設備發(fā)出的報文被識別為KNX組播報文， EnOcean雙向設備被識別為網關的KNX虛擬通訊對象.

圖1　智能照明系統(tǒng)總體框架

圖2　智能網關的電路框架

(2)EnOcean無線收發(fā)模塊采用EnOcean無線收發(fā)器TCM310模塊芯片.TCM310能夠實現(xiàn)868 MHz的無線電系統(tǒng)的網關功能，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，可以充當“郵件管理員”，管理多達15個雙向傳感器[3].圖3為本研究設計的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網絡模塊采用LM3S9B96處理器自帶的包含PHY和MAC的以太網控制器和網絡電壓器HX2019NL.Ethernet網絡模塊包括RJ45以太網接口、以太網控制器和網絡變壓器模塊.RJ45以太網接口與網絡變壓器模塊相連接，網絡變壓器模塊分別與以太網控制器的以太網接口和以太網信號發(fā)送指示燈模塊相連接.

2.2EnOcean子網的控制單元硬件設計

EnOcean子網的控制單元是EnOcean子網內設備與外部控制中心聯(lián)系的橋梁，負責對網絡內設備的管理以及子網內設備與外部控制中心的數(shù)據(jù)交換.EnOcean子網控制單元主要包括電源模塊、復位模塊、時鐘模塊、微控制器模塊、射頻模塊、天線模塊以及UART接口轉USB接口模塊.EnOcean子網控制單元結構如圖4所示.

圖4　EnOcean子網控制單元結構

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內核.E03000I內部有32 kB的Flash和2 kB的RAM，并具有10位準確度的A-D和8位準確度的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終端設備單元的硬件設計

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

圖5　EnOcean終端設備單元結構

天線模塊通過無線射頻通信方式與EnOcean子網控制單元或者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.調光模塊為EnOcean設備終端單元中的執(zhí)行機構，本研究采用的是一款LED驅動芯片PT4115.PT4115是一款電感電流導通型降壓恒流源，有效工作電壓為6～30 V，最大輸出電流為1.2 A. 調光模塊通過DIM引腳可實現(xiàn)模擬調光或范圍很寬的PWM調光.

3EnOcean工業(yè)智能照明系統(tǒng)的軟件設計

3.1智能網關的軟件設計

智能網關軟件的主要功能包括:對EnOcean子網控制單元或者遠程管理單元的接入管理、EnOcean子網端和遠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.

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

(1)如果為“自動控制”模式，則設置期望光強值，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“光強設定”信息到EnOcean子網控制單元.設置控制定時器初值.等待控制定時器中斷，當控制定時器中斷后,發(fā)送“光強查詢”信息到EnOcean子網控制單元.

(2)如果為“手動控制”模式，則直接檢測網口端有無信息.若網口端有信息，則轉發(fā)信息到EnOcean子網控制單元.如無信息，則檢測有無外部輸入信號， 若有操作信號輸入，則設置亮度控制值，發(fā)送“光強設定”信息到EnOcean子網控制單元，所述“光強設定”信息包含數(shù)據(jù)包目的地址信息和光強設定值，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口端有無信息.

圖6　智能網關軟件的主流程

3.2EnOcean子網控制單元的軟件設計

EnOcean子網控制單元是EnOcean子網內設備與外部聯(lián)系的橋梁，負責對網絡內設備的管理以及子網內設備與家庭網關的數(shù)據(jù)交換.

EnOcean子網控制軟件的主流程如圖7所示.系統(tǒng)首先進行初始化，包括對EnOcean子網單元的檢測及EnOcean信號中繼單元的接入管理等，建立EnOcean網絡，然后與家庭網關建立連接，讀取USB接口端信息，將讀取的信息進行處理.處理后信息由天線模塊發(fā)給EnOcean的信號中繼單元或者EnOcean終端設備，最后將應答信息轉發(fā)到家庭網關控制單元.

圖7　EnOcean子網控制軟件的主流程

3.3遠程控制單元的軟件設計

遠程控制單元主要用于實現(xiàn)照明設備的靈活控制.為了保證系統(tǒng)的安全性，遠程控制單元的軟件應具有用戶驗證功能.當打開軟件，進行用戶驗證以后，在軟件界面上顯示房間信息和設置信息(包括一鍵全開，一鍵全關)，單擊對應的房間，即可顯示當前房間內的設備狀態(tài)和亮度.試驗結果表明，本研究設計的實驗系統(tǒng)運行正常，能夠對照明設備的開關和光強進行靈活調節(jié).

4結束語

本研究基于EnOcean技術設計的工業(yè)智能照明控制系統(tǒng)功能完善，布線少，操作簡便，維護和改造方便，節(jié)約資源.本系統(tǒng)根據(jù)實際應用需求，在傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的基礎上，增設了可移動的遠程管理終端、EnOcean子網控制單元、EnOcean信息中繼單元和EnOcean終端設備單元，整個系統(tǒng)功能完善，符合未來工業(yè)智能化、網絡化的發(fā)展方向.

參考文獻:

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

[4]單朝蘭.智能家居控制系統(tǒng)及相關產品的研究與開發(fā)[D].杭州：浙江大學, 2006.

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

文獻標識碼：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：國家自然科學基金資助項目(51475434)

收稿日期：2015-10-08

文章編號：1006-3269(2016)01-0001-05