摘要 物联网技术的迅猛发展为智能照明控制系统在网络架构上提供了技术的保证,本文采用模块化设计思想设计了智能照明控制系统的感知层、控制层、网络层和综合应用层，每一层均采用瑞萨公司的 RL78/I1A 系列单片机作为主控芯片，其中控制层的现场控制器既可以独立使用，也可以联网使用;设计了具有智能识别协议技术的物联网网关，制定了通用性强的智能照明通信协议，设计了每一层的功能程序。本系统为物联网的应用提供了一个很好的实例。
关键词：智能照明控制系统 物联网 网关 智能硬件
1 研究的背景与意义
在网络时代空前发展、信息爆炸的今天，依托物联网、互联网和大数据等新技术、从智慧城市、智慧社区和智能家居等三个纬度诠释智慧生活的现状、发展趋势[1-2]。在此基础上，智能照明系统应运而生。进入二十一世纪后，随着人民生活水平不断提高，人们对于照明的要求也发生了很大的改变。尤其在一些中高档的建筑中和一些特殊场合例如核电站，照明不再单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，一方面使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感，另一方面可以实现智能控制和远程控制实现人类不易靠近场所的节能照明。
基于物联网技术的智能照明控制系统正是一个集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。它的出现和发展，不仅为照明提供了多种的艺术效果，而且使照明控制和维护管理变得更为简单。
2 系统方案设计
本系统遵照教育部颁布的物联网基本架构，即 感知层、控制层、网络层和综合应用层，应用传感器技术、网络技术、自动控制技术以及软件技术，实现基于物联网架构的智能照明控制系统[3]。以单片机为核心，由各种照明终端、传感器和网络通信终端组成设计了各级智能硬件和网关，可以完成对周围环境的感知，完成对灯的亮度、颜色的智能控制，可以通过网络实现远程控制等综合应用[4]。
本系统支持 DALI、DMX512、以太网、PLC[5]、 WiFi、ZigBee[6]等多种通信协议，设计了物联网网关，可以实现多种协议的互换从;同时支持声音传感器、光敏传感器、红外测距传感器和人体传感传感器等多种传感器，使系统应用场合更广泛，可以更好的实现灯光的智能控制和远程控制[7]。
本系统采用模块设计，每一种功能均设计成独立的智能硬件终端，例如传感智能硬件、现场控制智能硬件、网关智能硬件，同时网关还具有总控的功能[8]。现场智能控制硬件可以视为单灯现场控制器，由于它集成了网络接口，所以既可以单独现场工作，又可以组网远程工作，在组网工作方式中，一般网关兼作为主控单元，发起通信，而现场智能控制硬件作为服务器端接收主控单元的命令并可回传数据，但现场智能控制硬件不可以主动发起通信。传感智能硬件作为数据采集单元，现场智能控制硬件根据传感智能硬件采集的数据或主控单元的控制命令对灯进行智能控制。照明终端采用 RGB 三色灯珠，接受现场控制器的 PWM 信号，从而完成亮度和颜色的改变。
3 硬件设计
本系统各级控制器包括网关、现场智能硬件控制器、和传感智能硬件控制器均使用瑞萨公司的 RL78/I1A 系列单片机，其中网关采用 38 引脚，现场智能硬件控制器采用 30 引脚，传感智能硬件采用 20 引脚，不同级别控制器采用同一系列单片机，即增强了系统的统一性和可兼容性，又可以实现无缝协调工作，也使开发变得简单，减短了开发时间，节约了开发成本。
3.1 智能网关的设计[9]
智能网关硬件主要完成系统中支持的不同协议之间的转换，可以实现协议的智能鉴别和智能转换。网关控制器主要包括三个模块，分别为主控芯片模块、串口扩展模块和各通信硬件协议栈。主控芯片有三个串行口，由于外设较多，串口资源不够，所以进行了串口扩展，串口扩展芯片采用了国产的 GM8125 一扩五的芯片，每个硬件协议栈通过 GM8125 与主控芯片相连，通过串行口端口地址好识别协议类别，从而调用对应的软件模块对数据进行解析。由于 RL78/I1A 支持 DALI 协议，有专用的引脚，所以 DALI 硬件协议栈直接和主控芯片相连，而不需通过 GM8125。
3.2 现场控制智能硬件的设计
现场控制智能硬件主要工作为：完成感知层的信号采集，通过控制决策和预设阈值对 LED 灯进行控制，也可以作为服务器接收网络上传来的命令从而完成 LED 的控制[10]。同时该层控制器设计了异常报警功能，当电源不正常时可以主动发起通信，通过 WIFI 给操作员或用户发送报警功能，以 DALI 为例其硬件电路图为：
图中 J1、J2 是两针接口，在进行网络控制时用杜邦线进行接口和接口之间的连接，形成总线方式。 DALI_RX 和 DALI_TX 为 DALI 接口电路的接收和发送端子，分别与单片机 R5F107AEGSP 的 P15 和 P16 两个引脚相连。图中 DALI 信号指示包括两个 LED 指示灯，分别与发送和接收端子相连，在发送和接收过程中，分别对应的 LED 灯会频闪。
相关知识推荐：发表论文都是网上投稿吗
支持其他的现场控制器硬件结构大致相同，均使用现成的支持所需协议的硬件协议栈实现，硬件协议站完成协议的封装与解包，与 MCU 均是通过串口进行相连。
3.3 感知层的硬件设计
感知层主要完成周围环境的信息采集，对采集到的信息进行初步处理，然后传给现场智能硬件实现对 LED 的控制。本系统的感知层可以对声音、光敏、红外和人体等信息进行感知，本系统采用的传感器均为数字传感器，和控制器可以直接通过串口进行数据传送。
4 软件设计
本系统软件设计主要包括四块内容，分别对应物联网的感知层、控制层和网络层和驾驭在三层之上的综合应用层。因为本系统支持 5 种不同的协议，所以制定了一套较为完整的智能灯控系统通信协议，能够调节 LED 灯的颜色、亮度、饱和度，设置延迟开/关灯，对灯进行分组控制，预置情景模式，选择远程访问模式。该通信协议能够较好的覆盖智能照明领域所需的所有功能，协议接口简单，可移植性强，具有较好的推广性。图 4 为主控模块发起通信的程序流程图。
5 结论
本文是教育部提出的物联网四层架构在智能照明领域的一个实例，主要针对于智能照明领域提出了一种基于物联网的智能照明系统解决方案，设计了具有智能协议识别网关，并且网关还具有主控器的功能，通过给现场智能硬件通信实现对远程灯的控制。设计了现场智能硬件，使其可以作为单个控制器对 LED 灯进行控制，还可以联入网络实现远程的智能控制，设计了感知智能硬件，为智能控制提供了根本的保证。设计了兼容性好移植性强的通信协议，几乎覆盖了所有智能照明领域所需的功能。本系统为物联网的应用提供了一个很好的案例。——论文作者：王 敏 1,2 武 阳 1 王 宁 1,2 陈云军 1,2
参考文献
[1] 王元卓, 靳小龙, 程学旗. 网络大数据: 现状与展望[J]. 计算机学报, 2013, 36(6): 1125-1138. Wang Yuanzhuo, Jin Xiaolong, Chen Xueqi. Network Big Data: Present and Future[J]. Chinese Journal of Computers, 2013, 369(6): 1125-1138.
[2] 丁治明, 高需. 面向物联网海量传感器采样数据管理的[J]. 计算机学报, 2012, 35(6): 1175-1191. Di Zhiming, Gaoxu. A Database Cluster System Framework for Managing Massive Sensor Sampling Data in the Internet of Things[J]. Chinese Journal of Computers, 2012, 35(6): 1175-1191.
[3] 孙其博, 刘杰, 黎 羴等. 物联网: 概念、架构与关键技术研究综述 [J]. 北京邮电大学学报 , 2010, 33(3): 1-9. SUN Qi-bo1, LIU Jie, LI Shan, etc. Internet of Things: Summarize on Concepts, Architecture and Key Technology Problem[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2010, 33(3): 1-9.
[4] 陈海明, 崔莉, 谢开斌. 物联网体系结构与实现方法的比较研究[J]. 计算机学报, 2013, 36(1): 169-187. Chen Haiming, Cui Li, Xie Kaibin. A comparative study on architecture and implementation methodologies of internet of things. Chinese Journal of Computers, 2013, 36(1): 169-187.
[5] 王宁, 赵宝宜, 王巍. 基于电力载波通信的 LED 舞台灯光控制系统设计 [J]. 电工技术学报 , 2013, 28(增 2): 225-228. Wang Ning, Zhao Baoyi, Wang Wei. LED stage lighting control system based on power line carrier communication[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(2): 225-228.
[6] 王腾. 基于 ZigBee 的宽色域智能照明系统设计与实现[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2014. Wang Teng. Design and Implementation of the Wide Color Gamut and Intellitgent Illuminating Control System Based on Bigbee[D]. Qing Dao: Ocean University of China, 2014.
[7] 肖辉. 智能技术引领照明发展. 2014 年中国照明论坛一一照明产品设计、应用与创新论坛. Xiao Hui. Smart technology lead the lighting development. 2014 China Forum on eleven lighting products design, application and Innovation Forum.
[8] 刘云浩. 物联网导论[M]. 北京: 科学出版社, 2013 Liu Yunhao. Introduction to Internet of Things[M]. Bei Jing: Science Press, 2013.
[9] 赵志军, 沈强, 唐晖, 等. 物联网架构和智能信息处理理论与关键技术[J]. 计算机科学, 2011, 38(8): 127-135. Zhao Zhijun, Shen Qiang, Tang Hui. Theory and Key Technologies of Architecture and Intelligent Information Processing for Internet of Things[J]. Computer Science, 2011, 38(8): 127-135.
[10] 林涛, 叶峰, 王强, 等. 城市物联网照明云平台及应用[J]. 照明工程学报, 2014, 17(5): 53-59. Lin Tao, Ye Feng, Wang Qiang, etc. City Lighting Cloud Platform and Application of IOT[J]. ZHAOM ING GONGCHENG XUEBAO, 2014, 17(5): 53-59.
