基于MMS的城市照明无线监控系统的研究

张 玲 郝翠霞

(南京工业职业技术学院，江苏南京 210046)

1 引言

随着信息化、数字化、网络化技术的发展，“数字城市”已成为当今全球城市信息化建设的热点。城市照明数字化是数字城市的重要组成部分，它是以新能源技术、照明技术、计算机控制技术、多媒体技术和通信技术为基础，运用遥感、遥测、通信网络等对城市的照明设施及照明效果进行动态监测与管理，并为“数字城市”管理系统提供辅助决策服务。

目前3G通信网络、现场通信总线、短距离无线通信网 (如ZigBee)等通信技术已发展成熟，完全能应用于城市照明无线监控系统的数据传输。城市照明综合监控系统所涉及的照明灯覆盖面广、种类繁杂、控制要求多种多样，各照明区域或不同类型灯具所包含的信息量差别很大。本文所阐述的城市照明无线监控系统，研究基于同一种接入与控制协议 (MMS)的无线数据传输控制平台，通过统一的接入与控制协议来实现对城市照明的数字化控制，为城市亮化照明控制提供完整的解决方案，同时在满足城市亮化美化效果的前提下，尽可能地降低能耗、低碳环保，符合国家的能源政策。

2 系统体系结构

城市照明无线监控系统可分为3个层次，分别是:①设置于全市和各区县的统一的计算机监控系统WCS;②设置于各大楼、广场、道路的区域控制器NCS;③设置于照明配电箱内的现场控制器LC。系统结构如图1所示。

图1 城市照明无线监控系统结构示意图Fig.1 Structure schematic:wireless surveillance system of city lighting

(1)计算机监控系统WCS。协调整个城市景观照明和路灯照明的运行及综合管理，对所有子照明系统进行控制和运行状态监控。系统包括控制计算机、跨平台操作系统、城市亮化照明控制软件、设备信息管理系统、能耗管理系统、维护管理系统等。系统融合3G通信网络，在城市监控中心与各区域监控分中心计算机之间形成一个统一的监控平台。各区域控制器NCS首先通过3G网络将照明监控数据上传到各自的区域监控分中心，再通过3G网络将各分中心的数据上传到总监控中心。

(2)区域照明控制器NCS。负责采集现场照明控制器LC和相关控制设备的信息，处理后通过3G网络上传给本地监控中心，本地控制中心的控制命令也通过3G网络发送给区域控制器NCS，再由区域控制器直接控制相应设备或将控制命令转发给现场控制器LC。

(3)现场照明控制器LC。将来自区域控制器NCS的控制命令转换为不同照明灯具可接受的控制信号。对于普通照明路灯，将NCS系统发过来的网络控制命令转化为相应的控制接点信号，通过直接控制交流电源的输出控制路灯或景观照明灯的开闭;对于LED调光灯，则是将NCS发来的指令转换为PWM信号控制LED灯的开闭及调光;对于基于DMX512或DALI标准的变色灯，则将NCS的指令转换为DMX512或DALI控制信号。

城市照明系统中的照明灯控制方式多种多样，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别很大。区域控制器与照明现场控制器之间的通信协议，既要能满足彩色景观灯大信息量的要求，又要能满足灯具数量庞大的控制需求。因此本系统通信网络参考MMS(Microsoft Media Server Protocol)协议 (MNS是基于XML描述语言的制造报文规范、适用于多设备互联)，并在此基础上做适当修改调整以满足城市大范围亮化照明控制的需求。

3 区域照明控制器NCS和现场照明控制器LC的硬件设计

3.1 区域照明控制器NCS

区域控制器NCS是城市照明无线监控系统的关键部分，应具有可靠性高、接口丰富、控制灵活方便、可扩展等特点。本系统中NCS的硬件采用嵌入式设计，选择Motorola的PowerPC8247处理器和经过裁剪的Linux操作系统为工作平台。控制器可提供4路独立IP端口的以太网接口，这4个接口可以设计为RJ45电接口，也可以设计为光纤以太网接口。图2所示为其中一个以太网接口的电路原理图。

在PowerPC8247处理器内部集成了以太网MAC接口，所以只需要一个物理层网络处理芯片。本设计采用了Intel公司的LXT971A芯片来处理物理层协议，20F001N为100M以太网隔离变压器，提供电气接口的以太网隔离驱动。

图2 区域控制器以太网接口电路图Fig.2 Circuit diagram:Ethernet interface of Zone controller

3.2 现场照明控制器LC

现场照明控制器LC采用高速率的单片机(PowerPC)和嵌入式操作系统 (Linux)，内置嵌入式光纤100M以太网络控制器，支持TCP/IP、UDP、HTTP等网络协议，并可与无线GPRS/APN结合，组成远程无线终端。

每个照明现场控制单元既能提供简单的回路电源分合控制，也可连接各类灯具的DALI数字通信接口以及DMX512信号接口。照明控制尽管已发展到网络化控制系统，但目前DMX512信号标准应用仍然很广泛，在大型的网络化灯光控制系统的末端仍然大量采用DMX512信号控制方式。图3所示为现场照明控制器中DMX512接口电路图。

图3中ST16C554可扩展4个异步通信端口，其中1路经过右侧的光电隔离后通过MAX1487输出驱动，按照DMX512信号标准与智能灯具连接。图4所示为LC控制器输出的DMX512信号波形图。

图3 现场照明控制器DMX512接口电路图Fig.3 Circuit diagram:Scene lighting controller with DMX512 interface

图4 DMX512信号波形图Fig.4 DMX512 signal waveform

如图4所示，DMX512数字信号由起始码和512个数据帧 (字节)组成，同步信息由一个“BREAK”和一个“MAB”构成，按串行方式发送和接收数据。对于调光系统，每一个字节数据表示每一路的调光亮度值，0～255代表0～100%的亮度值，一个DMX512信号的最大控制回路为512路。对于智能灯具，这512个数据有的表示亮度、有的表示颜色、有的表示位置等，根据不同控制数据的组合，一个DMX512信号所控制灯具数不超过512盏。

4 系统通信协议与虚拟化建模

城市综合照明监控系统中会接入各种各样的设备，还有不断涌现的新设备。这些设备为城市照明提供了丰富的表现手段和技术保障，但要让如此众多的设备依照一定的标准融入到一个系统中，并在控制计算机的统一调度之下协同工作却绝非易事。

本系统中所有接入设备均采用RJ45以太网接口标准，支持10M 100Mbps高速以太网接口，在通信协议上则采用基于XML描述语言的制造报文规范MMS标准。

MMS是由国际标准化组织ISO第184技术委员会—— “工业自动化系统与集成”TC184制订的用于开发和维护工业自动化系统的独立国际标准报文规范。MMS是通过对真实设备及其功能进行建模的方法，实现网络环境下计算机应用程序或智能电子设备 (Intelligent Electronic Devices，IED)之间数据和监控信息的实时交换。国际标准化组织出台MMS是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备IED、智能控制设备的通信行为，让出自不同厂商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。

对智能照明设备虚拟化建模VMD(Virtual Manufacturing Device)是本系统最重要的一个技术核心。MMS定义了MMS服务器应用过程的外部可见功能，此功能是由VMD的描述实体来建模的。VMD存在于MMS服务器应用过程中，构成信息处理任务部分，对一组资源进行监控，并与一个实设备IED在功能上相关。一个应用过程 (AP)可以包含零个或多个VMD，如图5所示。

图5 照明系统的虚拟化建模Fig.5 Virtual modeling of lighting system

图5中每个VMD表示一个虚拟智能设备，将照明灯具、电源设备、控制设备虚拟化为控制节点或测量节点。应用程序客户端通过 MMS系统操作VMD设备，再通过VMD操作到实设备。图6为客户端AP与VMD虚拟照明灯通信示意图。

MMS服务器中的VMD模型可以通过读取IED的配置文档 (由XML语言描述)来获得IED的配置信息，建立VMD中具体服务和具体变量与IED提供的服务和变量 (如测量值、自检报告、故障事故报告、控制信号等)的映射关系。这一过程可以专门建立一个IED配置工具，采用配置描述语言XML来描述相关的IED配置和参数。

图6 客户端AP与VMD虚拟照明灯通信示意图Fig.6 Schematic diagram:the client AP and VMD virtual light communication

本系统用表1和表2中的逻辑节点的名称和数据名称 (部分)来描述照明系统的灯具、电源、控制设备，逻辑节点以及包含在其中的数据是描述实际系统和功能的基本组成部分。而逻辑节点是数据的容器，可以将真实的照明设备按功能分解为逻辑节点，再根据需要将逻辑节点组合成逻辑设备。表2中的M_MP逻辑节点就可能包含:开关状态CB、电源电压U、电源频率F、电流I、有功功率、无功功率、功率因数等。而读测量数据、开关状态，则是完成了Read操作。其他操作还包括初始化Init、参数配置Config、事件查询Query等。

表1 照明控制节点描述 (示例)Table 1 Lighting control node description(example)

表2 照明测量节点描述 (示例)Table 2 Lighting measurement node description(example)

逻辑设备则是由一系列逻辑节点以及操作逻辑节点的服务构成，完成对外通信的功能。例如在照明系统中将所有泛光灯定义为一个逻辑设备、将路灯定义为一个逻辑设备、将庭院灯定义为一个逻辑设备，在每个逻辑设备中至少包含一个逻辑节点。图7所示就是包含一个逻辑节点的逻辑设备，它对外所提供的服务包括测量值服务 (电压、电流等)，事件服务 (开关跳闸、控制灯开闭等)以及报告服务 (灯具信息描述、故障记录等)。

图7 逻辑设备模型示意图Fig.7 Structure schematic curve:model of logical device

无论是哪种服务，其服务描述均采用XML(Xtensible Markup Language，超文本标记语言)以满足抽象通信服务与MMS映射服务的对接要求。具体描述和应用体现在以下四类文件当中:

(1)ICD文件。描述带有固定数目逻辑节点的欲配置的IED能力，即描述未绑定到具体应用过程中的IED产品的结构和功能。

(2)SSD文件。描述照明子系统功能和拓扑结构及通信设置。

(3)SCD文件。用来说明如何将各个IED整合成为一个功能完善的综合照明管理系统，是完整的配置过程。

(4)CID文件。描述系统中实例化IED设备信息，将SCD文件中与实例IED有关的信息分离出来，生成CID文件，发给相应的IED进行具体的配置。

参考MMS标准设计照明综合计算机监控通信网络和系统的标准，采用分层、面向对象建模等多种新技术，其底层直接映射到MMS上，为应用系统提供一致的通信界面。

5 结束语

本文所阐述的城市照明无线监控系统将应用于某科技园区，在园区范围内对路灯、泛光灯、庭院灯、轮廓灯以及喷泉夜景等实现网络化控制，在实际应用中还将融合能源考核管理系统，既节约电能又能统一调度。系统采用了制造报文规范MMS，将对接入的各类繁杂照明灯具进行智能化改造，按照照明功能重新组合成逻辑照明设备，对逻辑设备的逻辑节点统一编写相应的控制代码，从而在接入各类设备时提供一致的界面。本系统除应用于园区照明控制，还可以推广到更大范围的城市照明控制系统中，甚至应用于给排水、燃气等其他城市监控管理系统中，为城市综合管理系统中各种设备和信息相融合起到一定的示范作用。

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