基于EnOcean技术的工业智能照明控制系统设计

宋圣涛，李仁旺，王海州，王维维，杨　震

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)



基于EnOcean技术的工业智能照明控制系统设计

宋圣涛，李仁旺，王海州，王维维，杨震

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

摘要：提出一种将EnOcean技术应用于工业智能照明控制系统的设计方案，并在此基础上设计了智能网关、智能内部网络以及EnOcean终端设备单元.利用EnOcean技术高质量通信和能量收集的优点， 满足了现代工业智能照明系统真正的无数据线、无电池、无电源线及传输距离远的系统要求.测试结果表明，该系统性能稳定，具有良好的可扩展性和节能效果.

关键词：智能照明控制系统；EnOcean技术；智能网关；无电池

随着科学技术的发展与人们对生活质量要求不断提高， 人们对工业智能照明无线化、网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈.智能照明控制系统是工业智能化必不可少的子系统，是楼宇建筑控制系统的重要组成环节[1].传统照明控制系统因布线繁琐、功能单一、扩展性差、耗能多、需要更换电池和人工管理等诸多缺陷，已经无法满足现代人的照明需求.照明能耗在整个建筑能耗中所占分量日益增加[2].照明控制系统要实现智能化，必须首先实现其网络化.EnOcean 是一种新型的基于能量收集的超低功耗、短距离无线通信技术. EnOcean 技术是指能够从自然界中采集微弱能量，驱动设备发射或接受无线信号，并且可以根据EnOcean 标准自组织成无线传感网络的技术[3].该技术有三大亮点: 能量收集、高质量无线通信和转换及超低功耗芯片组.EnOcean能量采集模块能够采集所处环境产生的微弱能量，从机械振动、人体动作、热、电波、光等获得微弱电力.这些能量经过处理，用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块，实现真正的无数据线、无电源线、无电池的通讯系统[3].

为了适应智能照明控制系统智能化、节能化等发展要求及解决照明系统中存在的问题，本研究提出了基于EnOcean的工业智能照明控制系统设计方案，实现了对照明设备的智能控制.

1几种主流无线通信技术的比较

EnOcean是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准.与该领域的其他技术相比，EnOcean技术的主要优点是无需电池[3].例如，50-60层大厦的管理系统有时会使用4 000-6 000个传感器单元.如果各传感器单元使用以电池为驱动的技术，电池的更换和管理工作就很繁重，令大厦管理者无所适从.EnOcean技术能够保证在照明关闭5 d的情况下仍然可以工作.而其他技术的弱点就是以电池驱动装置.EnOcean无线信号所需的电力是Zigbee的1/30-1/100.另外，由于EnOcean使用了1 GHz以下的频段，因此它的传输距离较使用2.4 GHz的ZigBee及BLE要远，且干扰更少[4].表1内容更直观全面地对比了几种主流的无线通信技术[3].

不同的无线通信技术各有其自身优势及最佳应用领域：BLE属于近距离无线通信技术，被广泛应用于笔记本、手机、耳机、打印机以及近年来非常火热的穿戴式电子设备；WLAN非常适合大数据量的传输，可使电脑、平板、笔记本、手机等直接通信； Z-Wave是成功用于民用住房的简单且单独的系统；ZigBee当前主要被用在近距离智能抄表以及家用智能开关上.这几种无线通信协议的设备都需要电源/电池供电，相比较而言，EnOcean非常适合智能家居、智能抄表、智能楼宇、工业控制等应用，所有支持EnOcean协议的传感器、无线开关等都不需要电池/电源供电，整个通信系统实现了真正的无数据线、无电池、无电源线[3].此外，EnOcean的室内传输距离高达30 m(用中继器可达100 m)，空旷地带传输距离为300 m.该技术同ZigBee、WLAN、BLE、Z-Wave等无线技术相比，最大的优点就是自发电、功耗极低、几乎无需保养及传输距离远.

表1　几种主流无线通信技术的比较

注：表中数据来源于EnOcean官网.

2EnOcean工业智能照明系统的硬件设计

本研究设计的智能照明系统主要包括远程控制单元、外部网络、智能网关(家庭网关)、智能内部网络、设备单元.其智能内部网络由EnOcean子网控制单元和EnOcean信号中继单元构成[3].智能网关位于外部网络与内部网络之间，智能内部网络将家庭内部的环境数据经过智能网关发送给外部网络的服务器，用户通过服务器访问内部的环境数据，并发送控制信息.该智能工业照明系统总体框架如图1所示.

2.1智能网关的硬件模块设计

从功能、集成度以及性价比与功耗等方面考虑，选择Texas Instruments(TI)公司以ARM Cortex-M3为内核的LM3S9B96处理器作为本智能家居系统智能网关的核心芯片.LM3S9B96是TI公司开发的基于 ARM Cortex-M3 的 32 位 Stellaris系列微控制器之一.LM3S9B96 不但能够完成智能网关对消息的处理和控制，还能够完成对工业智能系统的设备控制、数据收发和数据管理等任务.其主要功能是进行数据的转换.

在图2所示的智能网关电路框架中，EnOcean智能网关包括提供网关工作电源的电源模块、用于连接EnOcean侧网络的EnOcean无线收发模块、用于连接KNX侧网络的KNX总线模块、用于连接Wifi侧网络的Wifi模块及处理器模块.

(1)处理器模块采用TI公司以ARM Cortex-M3为内核的LM3S9B96处理器,连接KNX总线模块、EnOcean无线收发模块和Ethernet网络模块，用于控制、协调网关的工作运行，实现KNX侧网络、EnOcean侧网络及IP侧网络之间的数据转换，使EnOcean单向设备发出的报文被识别为KNX组播报文， EnOcean双向设备被识别为网关的KNX虚拟通讯对象.

图1　智能照明系统总体框架

图2　智能网关的电路框架

(2)EnOcean无线收发模块采用EnOcean无线收发器TCM310模块芯片.TCM310能够实现868 MHz的无线电系统的网关功能，可提供一个双向串行接口和一个双向无线通讯接口[3].与之双向串行接口连接的处理器可以通过它透明地收发无线数据，还可以通过它发送无线控制命令，例如配置中继器功能或管理智能ACK功能等.TCM310利用其智能ACK技术，可以充当“邮件管理员”，管理多达15个双向传感器[3].图3为本研究设计的EnOcean无线收发模块的电路图.

图3　EnOcean无线收发模块电路图

(3)KNX总线模块采用KNX串口收发器E981.03芯片.E981.03可以提供高达50 mA的直流电.供系统工作使用.KNX总线模块包括KNX总线端口、KNX串口收发器和高速光耦模块.KNX总线端口与KNX串口收发器相连接，高速光耦模块与处理器模块的串口相连接，KNX串口收发器与高速光耦模块相连接.

(4)Ethernet网络模块采用LM3S9B96处理器自带的包含PHY和MAC的以太网控制器和网络电压器HX2019NL.Ethernet网络模块包括RJ45以太网接口、以太网控制器和网络变压器模块.RJ45以太网接口与网络变压器模块相连接，网络变压器模块分别与以太网控制器的以太网接口和以太网信号发送指示灯模块相连接.

2.2EnOcean子网的控制单元硬件设计

EnOcean子网的控制单元是EnOcean子网内设备与外部控制中心联系的桥梁，负责对网络内设备的管理以及子网内设备与外部控制中心的数据交换.EnOcean子网控制单元主要包括电源模块、复位模块、时钟模块、微控制器模块、射频模块、天线模块以及UART接口转USB接口模块.EnOcean子网控制单元结构如图4所示.

图4　EnOcean子网控制单元结构

该单元采用EnOcean公司的集成模块TCM310. TCM310模块带有一个双向的串行通信接口和一个无线射频通信接口，所用无线通信频率为868 MHz.在TCM310内部集成了天线模块、时钟模块和一个射频SOC芯片E03000I.E03000I是一款低功耗射频SOC.它基于一个315/868 MHz的RF收发器和一个16 MHz的8051内核.E03000I内部有32 kB的Flash和2 kB的RAM，并具有10位准确度的A-D和8位准确度的D-A接口.E03000I具有极低的功耗，休眠模式的电流仅为0.2 μA.EnOcean子网控制单元和系统中心控制单元通过USB接口相连，直接由系统中心控制单元供电.

2.3EnOcean终端设备单元的硬件设计

EnOcean终端设备单元是整个系统的核心，主要负责对环境光强的检测和对照明设备光强的控制.该单元主要包括电源模块、SOC芯片模块、天线模块、复位模块、时钟模块、光强检测模块、PWM调光模块和用户外部按键模块.EnOceann终端设备单元结构如图5所示.

图5　EnOcean终端设备单元结构

天线模块通过无线射频通信方式与EnOcean子网控制单元或者EnOcean信号中继单元连接.光强检测模块用于检测环境光强值，为自动调节光强提供反馈信息.本系统采用的BH1620光强检测传感器灵敏度高，体积小巧.调光模块为EnOcean设备终端单元中的执行机构，本研究采用的是一款LED驱动芯片PT4115.PT4115是一款电感电流导通型降压恒流源，有效工作电压为6～30 V，最大输出电流为1.2 A. 调光模块通过DIM引脚可实现模拟调光或范围很宽的PWM调光.

3EnOcean工业智能照明系统的软件设计

3.1智能网关的软件设计

智能网关软件的主要功能包括:对EnOcean子网控制单元或者远程管理单元的接入管理、EnOcean子网端和远程管理终端间的信息交换、提供人机交互接口以及实现控制等.

智能网关软件的主流程如图6所示.系统首先进行初始化，包括对EnOcean子网单元的检测及远程管理终端单元的接入管理等，然后对外部设置进行读取，判断控制模式.

(1)如果为“自动控制”模式，则设置期望光强值，保存期望光强值.发送“光强查询”信息到EnOcean子网控制单元 ，所述“光强查询”信息包含数据包目的地址信息.读取反馈信息，获取光强值信息.计算所需控制输出值.发送“光强设定”信息到EnOcean子网控制单元.设置控制定时器初值.等待控制定时器中断，当控制定时器中断后,发送“光强查询”信息到EnOcean子网控制单元.

(2)如果为“手动控制”模式，则直接检测网口端有无信息.若网口端有信息，则转发信息到EnOcean子网控制单元.如无信息，则检测有无外部输入信号， 若有操作信号输入，则设置亮度控制值，发送“光强设定”信息到EnOcean子网控制单元，所述“光强设定”信息包含数据包目的地址信息和光强设定值，读取反馈信息，在图形窗口中显示反馈信息；若无信号则直接返回判断网口端有无信息.

图6　智能网关软件的主流程

3.2EnOcean子网控制单元的软件设计

EnOcean子网控制单元是EnOcean子网内设备与外部联系的桥梁，负责对网络内设备的管理以及子网内设备与家庭网关的数据交换.

EnOcean子网控制软件的主流程如图7所示.系统首先进行初始化，包括对EnOcean子网单元的检测及EnOcean信号中继单元的接入管理等，建立EnOcean网络，然后与家庭网关建立连接，读取USB接口端信息，将读取的信息进行处理.处理后信息由天线模块发给EnOcean的信号中继单元或者EnOcean终端设备，最后将应答信息转发到家庭网关控制单元.

图7　EnOcean子网控制软件的主流程

3.3远程控制单元的软件设计

远程控制单元主要用于实现照明设备的灵活控制.为了保证系统的安全性，远程控制单元的软件应具有用户验证功能.当打开软件，进行用户验证以后，在软件界面上显示房间信息和设置信息(包括一键全开，一键全关)，单击对应的房间，即可显示当前房间内的设备状态和亮度.试验结果表明，本研究设计的实验系统运行正常，能够对照明设备的开关和光强进行灵活调节.

4结束语

本研究基于EnOcean技术设计的工业智能照明控制系统功能完善，布线少，操作简便，维护和改造方便，节约资源.本系统根据实际应用需求，在传统照明控制系统的基础上，增设了可移动的远程管理终端、EnOcean子网控制单元、EnOcean信息中继单元和EnOcean终端设备单元，整个系统功能完善，符合未来工业智能化、网络化的发展方向.

参考文献:

[1]程晓燕.一种智能家居控制系统的设计与实现[J].才智,2013,13(35)：307.

[2]申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表,2013,28(2):6-10.

[3]陈广，李晓卉，赵兵,等.基于EnOcean技术的智能照明控制系统设计[J].建筑电气.2015，34(2):26-29.

[4]单朝兰.智能家居控制系统及相关产品的研究与开发[D].杭州：浙江大学, 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

中图分类号：TP399

文献标识码：A

作者简介：宋圣涛(1989-),男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为嵌入式开发.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475434)

收稿日期：2015-10-08

文章编号：1006-3269(2016)01-0001-05