發布時間：2022-03-02所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要 物聯網技術的迅猛發展為智能照明控制系統在網絡架構上提供了技術的保證,本文采用模塊化設計思想設計了智能照明控制系統的感知層、控制層、網絡層和綜合應用層，每一層均采用瑞薩公司的 RL78/I1A 系列單片機作為主控芯片，其中控制層的現場控制器既可以獨立使用，
摘要 物聯網技術的迅猛發展為智能照明控制系統在網絡架構上提供了技術的保證,本文采用模塊化設計思想設計了智能照明控制系統的感知層、控制層、網絡層和綜合應用層，每一層均采用瑞薩公司的 RL78/I1A 系列單片機作為主控芯片，其中控制層的現場控制器既可以獨立使用，也可以聯網使用;設計了具有智能識別協議技術的物聯網網關，制定了通用性強的智能照明通信協議，設計了每一層的功能程序。本系統為物聯網的應用提供了一個很好的實例。
關鍵詞：智能照明控制系統 物聯網 網關 智能硬件
1 研究的背景與意義
在網絡時代空前發展、信息爆炸的今天，依托物聯網、互聯網和大數據等新技術、從智慧城市、智慧社區和智能家居等三個緯度詮釋智慧生活的現狀、發展趨勢[1-2]。在此基礎上，智能照明系統應運而生。進入二十一世紀后，隨著人民生活水平不斷提高，人們對于照明的要求也發生了很大的改變。尤其在一些中高檔的建筑中和一些特殊場合例如核電站，照明不再單純地為滿足人們視覺上的明暗效果，更應具備多種的控制方案，一方面使建筑物更加生動，藝術性更強，給人豐富的視覺效果和美感，另一方面可以實現智能控制和遠程控制實現人類不易靠近場所的節能照明。
基于物聯網技術的智能照明控制系統正是一個集多種照明控制方式、現代化數字控制技術和網絡技術于一身的控制系統。它的出現和發展，不僅為照明提供了多種的藝術效果，而且使照明控制和維護管理變得更為簡單。
2 系統方案設計
本系統遵照教育部頒布的物聯網基本架構，即 感知層、控制層、網絡層和綜合應用層，應用傳感器技術、網絡技術、自動控制技術以及軟件技術，實現基于物聯網架構的智能照明控制系統[3]。以單片機為核心，由各種照明終端、傳感器和網絡通信終端組成設計了各級智能硬件和網關，可以完成對周圍環境的感知，完成對燈的亮度、顏色的智能控制，可以通過網絡實現遠程控制等綜合應用[4]。
本系統支持 DALI、DMX512、以太網、PLC[5]、 WiFi、ZigBee[6]等多種通信協議，設計了物聯網網關，可以實現多種協議的互換從;同時支持聲音傳感器、光敏傳感器、紅外測距傳感器和人體傳感傳感器等多種傳感器，使系統應用場合更廣泛，可以更好的實現燈光的智能控制和遠程控制[7]。
本系統采用模塊設計，每一種功能均設計成獨立的智能硬件終端，例如傳感智能硬件、現場控制智能硬件、網關智能硬件，同時網關還具有總控的功能[8]�，F場智能控制硬件可以視為單燈現場控制器，由于它集成了網絡接口，所以既可以單獨現場工作，又可以組網遠程工作，在組網工作方式中，一般網關兼作為主控單元，發起通信，而現場智能控制硬件作為服務器端接收主控單元的命令并可回傳數據，但現場智能控制硬件不可以主動發起通信。傳感智能硬件作為數據采集單元，現場智能控制硬件根據傳感智能硬件采集的數據或主控單元的控制命令對燈進行智能控制。照明終端采用 RGB 三色燈珠，接受現場控制器的 PWM 信號，從而完成亮度和顏色的改變。
3 硬件設計
本系統各級控制器包括網關、現場智能硬件控制器、和傳感智能硬件控制器均使用瑞薩公司的 RL78/I1A 系列單片機，其中網關采用 38 引腳，現場智能硬件控制器采用 30 引腳，傳感智能硬件采用 20 引腳，不同級別控制器采用同一系列單片機，即增強了系統的統一性和可兼容性，又可以實現無縫協調工作，也使開發變得簡單，減短了開發時間，節約了開發成本。
3.1 智能網關的設計[9]
智能網關硬件主要完成系統中支持的不同協議之間的轉換，可以實現協議的智能鑒別和智能轉換。網關控制器主要包括三個模塊，分別為主控芯片模塊、串口擴展模塊和各通信硬件協議棧。主控芯片有三個串行口，由于外設較多，串口資源不夠，所以進行了串口擴展，串口擴展芯片采用了國產的 GM8125 一擴五的芯片，每個硬件協議棧通過 GM8125 與主控芯片相連，通過串行口端口地址好識別協議類別，從而調用對應的軟件模塊對數據進行解析。由于 RL78/I1A 支持 DALI 協議，有專用的引腳，所以 DALI 硬件協議棧直接和主控芯片相連，而不需通過 GM8125。
3.2 現場控制智能硬件的設計
現場控制智能硬件主要工作為：完成感知層的信號采集，通過控制決策和預設閾值對 LED 燈進行控制，也可以作為服務器接收網絡上傳來的命令從而完成 LED 的控制[10]。同時該層控制器設計了異常報警功能，當電源不正常時可以主動發起通信，通過 WIFI 給操作員或用戶發送報警功能，以 DALI 為例其硬件電路圖為：
圖中 J1、J2 是兩針接口，在進行網絡控制時用杜邦線進行接口和接口之間的連接，形成總線方式。 DALI_RX 和 DALI_TX 為 DALI 接口電路的接收和發送端子，分別與單片機 R5F107AEGSP 的 P15 和 P16 兩個引腳相連。圖中 DALI 信號指示包括兩個 LED 指示燈，分別與發送和接收端子相連，在發送和接收過程中，分別對應的 LED 燈會頻閃。
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支持其他的現場控制器硬件結構大致相同，均使用現成的支持所需協議的硬件協議棧實現，硬件協議站完成協議的封裝與解包，與 MCU 均是通過串口進行相連。
3.3 感知層的硬件設計
感知層主要完成周圍環境的信息采集，對采集到的信息進行初步處理，然后傳給現場智能硬件實現對 LED 的控制。本系統的感知層可以對聲音、光敏、紅外和人體等信息進行感知，本系統采用的傳感器均為數字傳感器，和控制器可以直接通過串口進行數據傳送。
4 軟件設計
本系統軟件設計主要包括四塊內容，分別對應物聯網的感知層、控制層和網絡層和駕馭在三層之上的綜合應用層。因為本系統支持 5 種不同的協議，所以制定了一套較為完整的智能燈控系統通信協議，能夠調節 LED 燈的顏色、亮度、飽和度，設置延遲開/關燈，對燈進行分組控制，預置情景模式，選擇遠程訪問模式。該通信協議能夠較好的覆蓋智能照明領域所需的所有功能，協議接口簡單，可移植性強，具有較好的推廣性。圖 4 為主控模塊發起通信的程序流程圖。
5 結論
本文是教育部提出的物聯網四層架構在智能照明領域的一個實例，主要針對于智能照明領域提出了一種基于物聯網的智能照明系統解決方案，設計了具有智能協議識別網關，并且網關還具有主控器的功能，通過給現場智能硬件通信實現對遠程燈的控制。設計了現場智能硬件，使其可以作為單個控制器對 LED 燈進行控制，還可以聯入網絡實現遠程的智能控制，設計了感知智能硬件，為智能控制提供了根本的保證。設計了兼容性好移植性強的通信協議，幾乎覆蓋了所有智能照明領域所需的功能。本系統為物聯網的應用提供了一個很好的案例。——論文作者：王 敏 1,2 武 陽 1 王 寧 1,2 陳云軍 1,2
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