張 慧，魏建平，何 林，劉品杰，張 昊

（山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101）

0 引 言

高校的招生規(guī)模越來越大，在校生人數(shù)急劇增加，高校教室數(shù)量也越來越多，考慮到教室用途復雜，照明系統(tǒng)能耗占比隨之上升。但由于當前各高校的照明系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)手動控制模式，使得管理人員無法對每個教室的照明按照實際情況進行實時控制[1]，傳統(tǒng)照明控制模式存在較大的局限性，主要依賴管理人員、教師、學生的責任意識[2]，無法實現(xiàn)按需控制、按場景控制，導致照明系統(tǒng)不僅沒有提高舒適度、便利性，反而造成了極大的電能浪費。為響應“建設(shè)節(jié)約型校園”的號召[3]，我們在文獻[4]中研發(fā)設(shè)計了一套基于ZigBee的教室智能照明系統(tǒng)，控制系統(tǒng)依據(jù)獲取的光照度、時間表、教室人數(shù)、教室用途4個控制條件，實現(xiàn)了照明燈具的精細化管理。充分利用自然光，達到智能調(diào)控、有效節(jié)能的目的，設(shè)置了多種燈光模式，輔助教師實現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)換，提高上課效率[4]。

本文利用光照度傳感器、燈光控制器等完成了智能照明系統(tǒng)實驗平臺的搭建；采用多協(xié)議、模塊化編程、可用Web瀏覽器訪問Niagara軟件作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了燈光的智能調(diào)控與信息收集儲存。

1 實驗平臺設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本平臺設(shè)計的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)包括一級控制中心、二級教室網(wǎng)關(guān)控制器、三級燈管控制器，配合光照度傳感器、人數(shù)檢測器，實現(xiàn)了以光照度、時間、人數(shù)、教室狀態(tài)作為控制條件，對教室燈管進行個性化智能調(diào)控。系統(tǒng)采用ZigBee無線通信，減少系統(tǒng)改造中布線多、重新布線[5]等問題。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具備自愈合功能，當網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中某個設(shè)備損壞后，其他設(shè)備可避開損壞的設(shè)備進行聯(lián)絡(luò)。教室網(wǎng)關(guān)控制器與樓層交換機之間通過ZigBee無線通信，樓層交換機與控制中心通過原有的校園有線網(wǎng)絡(luò)連接，形成一個樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲[6-7]。以ZigBee為傳輸媒介，形成控制中心集中管控、教室網(wǎng)關(guān)控制器和燈管控制器分散控制的三級管控體系[4]。

一級控制中心主要由交換機和中控電腦組成，交換機安置在各樓層內(nèi)，用于聯(lián)絡(luò)本層教室網(wǎng)關(guān)控制器；中控電腦安裝在一樓控制室內(nèi)，用于集中管理?？刂浦行目稍趹睜顟B(tài)下強制轉(zhuǎn)換教室照明模式[8]；控制中心與教務(wù)管理系統(tǒng)聯(lián)動，實時獲取教室使用信息和學生上課安排；控制中心實時獲取教室網(wǎng)關(guān)的參數(shù)信息，依據(jù)預先設(shè)定好的算法，智能管控照明燈具，使資源得到合理利用。

二級教室網(wǎng)關(guān)控制器安裝在教室內(nèi)的講臺控制臺上，主要通過ZigBee連接人數(shù)檢測器和燈光控制器，獲取光照強度、教室人數(shù)信息以及燈管開閉狀態(tài)。另外設(shè)有投影儀模式、自習模式、板書模式、上課模式以及自定義模式等照明場景，實現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)換，輕松便捷。

三級燈光控制器安裝在教室每根燈管上，由ZigBee模塊、光照度傳感器、繼電器等組成，完成照明燈具的開關(guān)控制。

1.2 實驗平臺設(shè)計思路

為驗證系統(tǒng)設(shè)計控制邏輯的可行性，本文搭建了一個實驗臺用于模擬系統(tǒng)的核心功能。

（1）由于實驗臺安裝空間有限，在有限的空間模擬多區(qū)域燈管，燈光之間的相互影響過大，不利于判斷，因此設(shè)計的實驗平臺采用2個燈泡來模擬教室某區(qū)域，通過光照度傳感器實際獲取的光照值作為變量。另2個燈泡采用2個不同的模擬設(shè)置信號來替代其他兩個區(qū)域的光照值。

（2）因?qū)嶒炂脚_體積較小且不存在穿越樓層等問題，故采用直接連線方式替代原設(shè)計中的ZigBee無線連接，不影響控制功能的實現(xiàn)。

（3）采用智能照明控制器替代原設(shè)計中的燈光控制器，驗證各種場景模式的切換功能。

2 實驗平臺的搭建

2.1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

實驗平臺的硬件配置包括感知層、傳輸層、控制層[9]?？刂茖又饕?臺Niagara網(wǎng)絡(luò)控制器、I/O模塊。傳輸層主要為Modbus（JACE8000控制器與傳感器、I/O模塊通信）、TCP/IP（JACE8000控制器與PC服務(wù)器通信）等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)備。感知層包括人數(shù)傳感器與智能燈光控制設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，實驗平臺實物如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 實物

2.2 Niagara程序設(shè)計

2.2.1 Niagara軟件介紹

Niagara Framework（簡稱Niagara）是美國Tridium公司基于Java開發(fā)的開放式軟件架構(gòu)，可以集成各種設(shè)備和系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的平臺[9-10]，Niagara支持的通信協(xié)議包括Modbus、Lon Works、ZigBee等。用戶使用該程序，無需考慮特定的協(xié)議、產(chǎn)品或某項技術(shù)[11]，架構(gòu)簡單，且可以通過標準Web瀏覽器實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)訪問與控制功能，系統(tǒng)適應性極強[12]。平臺內(nèi)部集成各種組件、對象模型、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)查詢、日志查詢、報警管理、遠程診斷與維護等功能，大大降低了開發(fā)者的研發(fā)時間與維護成本[13-14]。

2.2.2 編程設(shè)計

基于Niagara軟件平臺進行應用程序開發(fā)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)畫面實時顯示、數(shù)據(jù)異常設(shè)備報警、歷史數(shù)據(jù)儲存、自控手控切換、用戶自主更改調(diào)度、Web瀏覽器查看數(shù)據(jù)變化與設(shè)備狀態(tài)等功能[9]。

（1）Wire Sheet編程

創(chuàng)建3個Boolean Writable點，分別命名為L-1區(qū)域、L-2區(qū)域、L-3區(qū)域，代表3個區(qū)域的燈泡；創(chuàng)建2個Ramp點，分別命名為Ramp1、Ramp2，用于模擬2個區(qū)域燈泡感受的光照值變化；創(chuàng)建3個Numeric Writable點，分別命名為Ⅰ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅱ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅲ區(qū)域室內(nèi)光照度，其中2個用于接收Ramp點輸入的模擬光照值，另外一個用于接收實驗平臺光照度傳感器傳遞的實際光照值；創(chuàng)建3個Numeric Constant點作為每個區(qū)域的光照值條件，分別命名為Ⅰ區(qū)域設(shè)定值、Ⅱ區(qū)域設(shè)定值、Ⅲ區(qū)域設(shè)定值；創(chuàng)建3個Tstat點，分別命名為On Off Controler 1、On Off Controler 2、On Off Controler 3，用于判斷光照值與設(shè)定值是否允許開啟燈泡；再次創(chuàng)建3個Tstat點與1個Ramp點，分別命名為Ramp Projector、Ⅰ區(qū)域投影儀模式、Ⅱ區(qū)域投影儀模式、Ⅲ區(qū)域投影儀模式，用于驗證教師通過網(wǎng)關(guān)控制器實現(xiàn)一鍵模式轉(zhuǎn)換，利用Ramp點模擬教師的個人主觀不確定性；創(chuàng)建3個Or點，分別命名為Or1、Or2、Or3，結(jié)合教室使用模式與光照條件進行第1步是否開啟燈泡的判斷；創(chuàng)建1個Boolean Schedule點，命名為時間表，用于存儲教室課表信息以及設(shè)定時間條件；創(chuàng)建3個And點結(jié)合Boolean Schedule點與經(jīng)過Or點判斷的Boolean Writable點進行最后是否開啟燈泡的判斷；最后創(chuàng)建一個Boolean Writable點，命名為控制權(quán)，便于設(shè)置Px視圖中控制權(quán)的切換。BoWen105Wire Sheet點的創(chuàng)建匯總表見表1所列。

表1 BoWen105Wire Sheet點的創(chuàng)建匯總表

Ramp1、Ramp2點模擬光照值，因此單位（Units）設(shè)置為Lx（勒克斯）；根據(jù)文獻[8]中介紹的教室各區(qū)域采光值，本實驗平臺將模擬光照值的最大值（Max）、最小值（Min）分別設(shè)置為900 Lx、0 Lx與700 Lx、0 Lx[15]；為節(jié)約實驗時長，將周期（Period）設(shè)置為1 h；波形選擇倒鋸齒狀（Inverted Saw Tooth）；幅值（Amplitude）設(shè)置為15；偏置量（Off Set）設(shè)置為0；在上述設(shè)置中，設(shè)置Period為1 h，將更新間隔（Update Interval）設(shè)置為10 min，一個周期該組件可以輸出6個數(shù)據(jù)，可以模擬實際生活中多個時間段的光照值。

Ramp Projector點用于模擬教師個人主觀的不確定性，因此將最大值、最小值分別設(shè)置為-1、1，不設(shè)單位，將周期（Period）設(shè)置為1 h；波形選擇倒鋸齒狀（Inverted Saw Tooth）；偏置量（Off Set）設(shè)置為0。

Numeric Writable點用于接收Ramp點的輸入，并輸出光照值。其設(shè)置比較簡單，將單位（Units）設(shè)置為Lx（勒克斯）；將最大值（Max）、最小值（Min）統(tǒng)一設(shè)置為900 Lx、0；將精度（Precision）設(shè)置為2。重點在于將實驗臺的光照度傳感器收集的真實光照值傳入Niagara系統(tǒng)。將IO-28U撥碼開關(guān)調(diào)至Modbus RTU模式，在Station內(nèi)創(chuàng)建Modbus Async Network，將IO-28U加入后創(chuàng)建光照度傳感器代理點，類型修改為Float Type后與Wire Sheet視圖中的Numeric Point點連接，便可將真實的外界光照值作為AI信號輸入Niagara系統(tǒng)。

Numeric Constant點的單位（Units）設(shè)置為Lx（勒克斯）。為驗證控制邏輯在多種設(shè)定中的可行性，Value未按照文獻[4]中規(guī)定的300進行設(shè)置，而分別設(shè)置為200、400、600。

Boolean Schedule點內(nèi)輸入某間教室的課表，Default Output以及上課期間設(shè)置為On，每日的22:00至次日7:00以及節(jié)假日時間設(shè)置為Off。BoWen105Wire Sheet重要點的設(shè)置匯總見表2所列。

表2 BoWen105Wire Sheet重要點的設(shè)置匯總表

BW105燈管控制Wire Sheet編程圖如圖3所示。

圖3 BW105燈管控制Wire Sheet編程圖

（2）Px視圖編程

為使管理人員能夠更加直觀了解單間教室當前的整體狀態(tài)，本文以“BW105”為例進行了Px視圖編寫。通過Niagara軟件的Station或登錄標準Web瀏覽器可進入該界面查看，如圖4所示。

圖4 BW105教室狀態(tài)Px編程圖

為統(tǒng)一界面設(shè)計風格，通常需要在界面上有統(tǒng)一的標題格式或者統(tǒng)一風格的切換按鈕[9]。

（a）創(chuàng)建一個新的文件夾，命名為“Home_Page”，在該文件夾下創(chuàng)建一個名為“Banner”的文件夾。然后為Banner文件夾創(chuàng)建一個新的Px視圖。在Px視圖右側(cè)，找到Widget Tree側(cè)邊欄，展開Scroll Pane，將Canvas Pane剪切，刪除Scroll Pane，將Canvas Pane粘貼到Root內(nèi)，將Canvas Pane放到根目錄[9]。

（b）打開Properties對話框，將尺寸修改為800×100，顏色選擇綠色。在Kit Px調(diào)色板中拖動LogOff Button到右上角，拖動Refresh到左下角[9]。

（c）將Banner文件夾拖到視圖內(nèi)，打開Widget Wizard窗口，然后選擇Bound Label，在Format Text內(nèi)輸入“%Current User： %user（）%”，將文本放到視圖右下角，顯示當前操作用戶名。再次將Banner文件夾拖到視圖內(nèi)，打開Widget Wizard窗口，然后選擇Bound Label，在Format Text內(nèi)輸入“%displayName%”，用于顯示當前Px文件名。為使每個文件夾的Px視圖可以顯示相應的文件夾名稱，需要將Label的絕對路徑修改為相對路徑。在Bound Label Binding中，打開Ord編輯器，將Ord修改為“slot：”即可。保存為“BannerPx”視圖[9]。

（d）在“BoWen105”P x視圖中添加“BannerPx”視圖。

A.將L-1區(qū)域、L-2區(qū)域、L-3區(qū)域3個點拖入P x視圖內(nèi)，打開Make Widget Wizard對話框后，選擇From Platelet選項，并選擇KitPxN4svg內(nèi)的Bulb，便于實時查看3個區(qū)域燈泡的開啟狀態(tài)。

將“L-1區(qū)域、L-2區(qū)域、L-3區(qū)域、Ⅰ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅱ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅲ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅰ區(qū)域投影儀模式、Ⅱ區(qū)域投影儀模式、Ⅲ區(qū)域投影儀模式”拖入Px視圖，在Format Text內(nèi)輸入“%out.value%”。在Px視圖空白位置創(chuàng)建Label，在Text區(qū)段內(nèi)輸入點的名稱，并移至對應位置。

B. 為了更好分析教室照明狀態(tài)以及及時修復故障LED燈管，對相應組件添加了Alarm Ext和History Ext，相關(guān)記錄可以以PDF文件形式導出到PC端。歷史記錄與報警記錄界面如圖5、圖6所示。

圖5 BW105 燈管報警界面

圖6 區(qū)域歷史光照度記錄界面

歷史記錄設(shè)置：展開History調(diào)色板，將Extension中的Numerical Cov擴展加到Ⅰ區(qū)域室內(nèi)光照度點上，對Numerical Cov擴展進行設(shè)置：Enable設(shè)置為Ture；Capacity設(shè)置為800；Change Tolerance設(shè)置為50。

報警記錄設(shè)置：打開Services文件夾中Alarm Service的Wire Sheet視圖，在該視圖中添加一個新的Alarm Class組件，將其命名為High Priority Alarms，Priority設(shè)置為1、1、127、127。接著設(shè)置報警接收器，打開Alarm中的Recipients文件夾，將Console Recipient添加到Alarm Service中，重新命名為All_Alarms，將Default Alarm Class分類器的Alarm與High Priority Alarms分類器的Alarm連接到All_Alarms的Route Alarm。打開Ⅰ區(qū)域室內(nèi)光照度點，在Alarm的Extension文件夾內(nèi)添加OutOfRangeAlarmExt到Ⅰ區(qū)域室內(nèi)光照度點的AX Property Sheet。將SourceName設(shè)置為“%parent.displayName%”，To Normal Text設(shè)置為“%alarmData.sourceName% is back to noemal range”，High Limit Text設(shè)置為“%alarmData.sourceName%＞% alarmDta.highLimit%!”，Low Limit Text設(shè)置為“%alarmData.sourceName%<%alarmDta.highLow%!”，勾選Low Limit Enable、High Limit Enable。這里High Limit設(shè)置為950，Low Limit設(shè)置為0，最后將Alarm Class設(shè)置為HighPriorityAlarms。然后此報警拓展復制到Ⅱ區(qū)域室內(nèi)光照度、Ⅲ區(qū)域室內(nèi)光照度。

隨后將Boolean Schedule、Alarm Ext和History Ext拖入Px視圖內(nèi)，在Make Widget窗口內(nèi)選擇From Platelet，在KitPx調(diào)色板中選擇HyperlinkButto，勾選位于向?qū)ё笙陆堑腍yperlink方框，在Text區(qū)段添加相應名稱，單擊“OK”，創(chuàng)建按鈕。

工作人員可以通過Hyperlink Button修改時間信息，及時更改當前教室的后期信息；教室故障燈管按鈕與報警擴展進行超鏈接連接，查看教室燈管狀態(tài)；通過教室人數(shù)按鈕可以查看當前教室的人數(shù)，這是系統(tǒng)判斷燈管開啟的基本條件之一，由于平臺未接入紅外人數(shù)檢測器，因此將3個區(qū)域的人數(shù)簡易化看作滿員。

C. 將控制權(quán)點拖入Px視圖，選擇Action選項，在右側(cè)選擇Emergency Active，點擊后Wire Sheet視圖中的控制權(quán)點轉(zhuǎn)為On，使得系統(tǒng)的判斷無法傳遞至燈泡的控制點，只能由人手動控制智能照明模塊上的按鈕，實現(xiàn)燈泡的啟停。

（3）節(jié)能量Wire Sheet編程

為監(jiān)控實驗平臺的電能節(jié)約量，編寫了一個用于累計節(jié)能量的Wire Sheet程序，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)將時間表上的On、Off狀態(tài)作為唯一控制條件；智能控制系統(tǒng)超鏈接至“BoWen105”Wire Sheet編程內(nèi)的L-1區(qū)域燈、L-2區(qū)域燈、L-3區(qū)域燈。對兩種系統(tǒng)的燈泡開啟時間進行累計，由文獻[4]可知，傳統(tǒng)的熒光燈為40 W，實驗平臺采用的LED燈泡的功率為13 W，將累計時間乘以各自的功率然后相減，便可得到在實驗時間內(nèi)節(jié)省的電量；若乘以學校電費0.49元/（kW·h），將得到在實驗時間內(nèi)節(jié)省的電費。

先將“BoWen105”Wire Sheet編程中的Boolean Schedule點復制到本編程視圖，作為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的唯一控制條件。創(chuàng)建6個Boolean Writable點，分別命名為L-1區(qū)域 -Smart、L-2區(qū)域-Smart、L-3區(qū)域 -Smart，L-1區(qū)域-Tradition、L-2區(qū)域-Tradition、L-3區(qū)域-Tradition，代表智能控制系統(tǒng)的3個區(qū)域燈泡與傳統(tǒng)系統(tǒng)的3個區(qū)域燈泡；創(chuàng)建6個Lead Lag Runtime點，分別命名為開啟時間-Smart-1、開啟時間-Smart-2、開啟時間-Smart-3、開啟時間-Tradition-1、開啟時間-Tradition-2、開啟時間-Tradition-3，用于累計6個區(qū)域的燈泡開啟時間；創(chuàng)建3個Numeric Constant點，分別命名為功率-Smart、功率-Tradition、電費-School，用于表示實驗平臺LED燈泡的功率以及與LED燈泡亮度接近的熒光燈的功率和學校電費；創(chuàng)建2個Add點，3個Multiply點，1個Subtract點用于計算，分別命名為開啟時間加和-Smart、開啟時間加和-Tradition、電量-Smart、電量-Tradition、節(jié)約的電費、節(jié)約的電量。節(jié)能量Wire Sheet點的創(chuàng)建匯總見表3所列。

表3 節(jié)能量Wire Sheet點的創(chuàng)建匯總表

節(jié)能量Wire Sheet視圖編程中最重要的設(shè)置是累計開啟時間的設(shè)置。打開L-1區(qū)域-Smart的屬性視圖，將Extension文件夾內(nèi)的DiscreteTotalizerExt組件拖到L-1區(qū)域-Smart的名稱上，添加DiscreteTotalizerExt擴展功能到L-1區(qū)域-Smart。在導航欄內(nèi)，展開L-1區(qū)域-Smart，在L-1區(qū)域-Smart中拖動DiscreteTotalizerExt，將其放到L-2區(qū)域-Smart、L-3區(qū)域-Smart、L-1區(qū)域-Tradition、L-2區(qū)域-Tradition、L-3區(qū)域-Tradition內(nèi)，快速將擴展功能復制到各Boolean Writable點上。返回Wire Sheet視圖，右擊L-1區(qū)域-Smart，在菜單中選擇Composite，在Composite Editor內(nèi)雙擊添加Elapsed Active Time與Reset Elapsed Active Time，將Elapsed Active Time重命名為Runtime，單擊“OK”保存。對其余5個Boolean Writable點進行同樣的操作。將Boolean Writable點的Runtime分別接入Lead Lag Runtime的RuntimeA，可收集各區(qū)域燈泡的開啟時間[9]。節(jié)能量Wire Sheet重要點的設(shè)置匯總見表4所列。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于Niagara軟件的智能無線照明系統(tǒng)實驗平臺，從平臺設(shè)計、平臺搭建、軟件設(shè)計等方面對其進行了介紹。利用Niagara軟件實現(xiàn)了對教室燈管啟閉、時間設(shè)置、歷史記錄、故障報警等功能的控制，驗證了原系統(tǒng)設(shè)計中的四重控制策略。但實驗平臺仍存在許多不足，如未能采用ZigBee無線傳輸，空間過小只能采用模擬分區(qū)；僅實現(xiàn)了投影儀模式，未能對全部模式進行綜合研究；未加入人數(shù)檢測器，僅將人數(shù)看成一個常量等，后期我們將繼續(xù)完善。