一种面向既有建筑的照明开关智能控制系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑照明控制技术领域，特别是涉及一种面向既有建筑的照明开关智能控制系统及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，智能家居的概念逐渐融入我们的日常生活中，成为业界一个越来越热门的话题，同时也是我们未来生活的一个重要趋势。为了提高人们的生活质量，使照明系统可以遵从使用者的意愿进行变化，实现照明系统的智能化，目前已存在基于各种组网、自组网(如Zigbee、蓝牙、Wifi)及通信技术的智能照明系统。大部分智能系统均通过上位机(智能手机、个人计算机)里的控制软件对已组网的照明设备进行控制，其中包括开关、调色、调光、定时控制。

电力线载波是利用现有电力线(电源线)作为传输媒介，通过载波方式高速传输模拟或数字信号，实现数据传输和信息交换的一种技术。目前适用频率范围：50KHz～200KHz。在电力线上通过载波方式进行系统联网，每个系统控制单元所发出的控制信号都通过载波方式在整个电力线里进行传播，各个系统控制单元从电力线上接收到控制信息后，则根据系统通讯协议的规定执行相应的动作，从而实现智能网络控制。目前，针对一些大型智能建筑中，有采用电力线载波通信方式来进行智能化改造，实现智能建筑完整的智能化系统。然而，智能建筑中采用的低压电力线载波通信方式较多应用于监测系统以及电力用户集抄系统，而应用于控制系统相对较差。因此，既有建筑中，基于电力线载波通信的照明开关智能控制系统同样存在通信方式局限性的问题，到目前为止，市场上还没有面向既有建筑的照明开关智能控制方法与装置，需要本领域技术人员不断进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向既有建筑的照明开关智能控制系统及方法，在既有建筑基础上，无须重新布线，将电力线载波通信与Wifi通信相结合，便可实现通信方式转换及对应控制智能开关节点的功能，以解决既有建筑中照明开关智能通信方式局限性的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种面向既有建筑的照明开关智能控制系统，该系统包括：上位机、协同控制网关以及多个照明智能开关节点，所述协同控制网关包括第一微处理器以及与第一微处理器电性连接的电力线载波通信模块、第一WIFI通信模块、第一电源模块，所述第一电源模块为所述第一微处理器、电力线载波通信模块、第一WIFI通信模块提供电源，所述第一微处理器通过所述电力线载波通信模块与上位机通信连接；所述电力线载波通信模块设置在既有建筑中；

所述照明智能开关节点包括第二微处理器以及与第二微处理器电性连接的第二WIFI通信模块、第二电源模块、继电器模块、开关面板，所述第二电源模块为所述第二微处理器、继电器模块提供电源，所述继电器模块与照明装置电性连接，用于控制照明装置的通断，所述第二WIFI通信模块与所述第一WIFI通信模块通信连接，实现所述第一微处理器和第二微处理器之间的数据双向传输。

可选的，所述协同控制网关还包括隔离保护模块，所述隔离保护模块设置在所述电力线载波通信模块与第一微处理器之间。

可选的，所述协同控制网关还包括存储模块和人机交互模块，所述存储模块和人机交互模块分别与所述第一微处理器电性连接。

可选的，所述第一微处理器和第二微处理器为工业级微处理STM32F103。

可选的，所述第一电源模块采用金升阳双路电源模块LH10-10D0512-02，所述第二电源模块选用金升阳LDE小体积系列电源，型号为LDE03-20B05。

可选的，所述第一WIFI通信模块和第二WIFI通信模块的选用型号为USR-WIFI232-B2。

可选的，所述第二WIFI通信模块连接有绿色LED和红色LED，绿色LED是通信接收指示灯，红色LED是通信发送指示灯。

可选的，所述智能开关节点安装在既有建筑中照明系统的86盒里。

本发明还提供了一种面向既有建筑照明开关智能控制方法，应用于上述的面向既有建筑的照明开关智能控制系统，包括以下步骤：

1)初始化配置安装在既有建筑对应电力线线路上的协同控制网关；

2)初始化配置安装在既有建筑照明系统的86盒中的智能开关节点；

3)协同控制网关确定区域范围内的智能开关节点的连接情况，判断所配置智能开关节点是否全连接，若全连接，则继续下一步；

4)根据地址及配置信息，智能开关节点依次将对应照明装置的地址和状态信息上报给协同控制网关，继续下一步；

5)协同控制网关是否接收到智能开关节点对应的地址与照明装置状态信息，若是，则继续执行下一步，否则返回执行第4步；

6)协同控制网关将接收到的智能开关节点对应的地址与照明装置状态信息解析后按对应顺序存储，继续执行下一步；

7)智能开关节点实时监测对应照明装置的继电器模块状态，若继电器模块状态发生变化，继续执行下一步；

8)智能开关节点将照明装置的地址和最新状态信息上报给协同控制网关，跳转执行第5步；

9)协同控制网关是否接收到上行用户通过上位机输入发来的请求指令信号，若是，继续执行下一步；

10)协同控制网关接收上行用户通过上位机输入发来的请求指令信号并进行解析；

11)协同控制网关若接收为查询指令，则执行第12步，若为控制指令，则跳转第13步；

12)根据接收查询指令的照明地址，协同控制网关将最新存储的对应的照明装置状态通过电力线载波通信方式上传给上位机；

13)协同控制网关解析接收控制指令的信息并组帧后完成通信方式的转换，通过第一WIFI通信模块发送给智能开关节点，继续执行下一步；

14)智能开关节点接收到控制指令并解析后，根据对应照明装置地址及照明的状态响应对照明装置的控制，跳转第7步。

可选的，所述协同控制网关与智能开关节点之间通信选用随机信道分配。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的面向既有建筑的照明开关智能控制系统，由协同控制网关和智能开关节点两部分组成，协同控制网关安装在既有建筑中用于电力线载波通信的同线路中，用于接收、解析用户输入的上行指令请求并完成通信方式的转换，以实现与智能开关节点的双向通信，包括向智能开关节点传输指令信息并响应其状态信息；智能开关节点安装在既有建筑中照明系统的86盒里，可实现手动控制和远程控制两种控制方式，上电时上报智能开关节点的地址与状态，用于接收并响应协同控制网关指令请求，实现与协同控制网关的双向通信；本发明填补了面向既有建筑的照明开关智能控制装置的空白，可以实现电力线载波通信与WIFI通信相互转化，并实现在电力线载波通信为主体通信方式的既有建筑整体系统中对对应照明开关进行智能控制的功能，扩宽了既有建筑中应用于控制系统的通信方式的选择，在一定程度上提高照明开关控制的智能化程度；

在面向既有建筑照明开关智能控制方法中，智能开关节点的上电上报与变化上报机制和协同控制网关关于照明灯状态实时更新存储机制，在一定程度上提高了智能照明系统的通信效率，也解决了既有建筑系统中智能照明开关通信方式局限性的问题，从而实现既有建筑整体系统对照明开关的智能控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例面向既有建筑的照明开关智能控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例第一电源模块的电路设计图；

图3为本发明实施例5V转为3.3V为第一微处理器和第一WIFI模块供电电路设计图；

图4为本发明实施例12V转为5V为电力线载波模块供电电路设计图；

图5为本发明实施例第二电源模块的电路设计图；

图6为本发明实施例第二电源模块的电压转换电路设计图；

图7为本发明实施例第二WIFI模块的电路设计图；

图8为本发明实施例第二微处理器与开关面板连接原理图；

图9为本发明实施例开关面板连接口电路设计图；

图10为本发明面向既有建筑照明开关智能控制方法的流程图；

图11为本发明协同控制网关的详细工作流程；

图12为本发明智能开关节点详细工作流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种面向既有建筑的照明开关智能控制系统及方法，在既有建筑基础上，无须重新布线，将电力线载波通信与Wifi通信相结合，便可实现通信方式转换及对应控制智能开关节点的功能，以解决既有建筑中照明开关智能通信方式局限性的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的面向既有建筑的照明开关智能控制系统，包括：上位机、协同控制网关以及多个照明智能开关节点，所述协同控制网关包括第一微处理器以及与第一微处理器电性连接的电力线载波通信模块、第一WIFI通信模块、第一电源模块，所述第一电源模块为所述第一微处理器、电力线载波通信模块、第一WIFI通信模块提供电源，所述第一微处理器通过所述电力线载波通信模块与上位机通信连接；所述电力线载波通信模块设置在既有建筑中；

所述照明智能开关节点包括第二微处理器以及与第二微处理器电性连接的第二WIFI通信模块、第二电源模块、继电器模块、开关面板，所述第二电源模块为所述第二微处理器、继电器模块提供电源，所述继电器模块与照明装置电性连接，用于控制照明装置的通断，所述第二WIFI通信模块与所述第一WIFI通信模块通信连接，实现所述第一微处理器和第二微处理器之间的数据双向传输。

其中，所述协同控制网关还包括隔离保护模块，所述隔离保护模块设置在所述电力线载波通信模块与第一微处理器之间。所述协同控制网关还包括存储模块和人机交互模块，所述存储模块和人机交互模块分别与所述第一微处理器电性连接。

协同控制网关中第一微处理器选用高性能工业级微处理器STM32F103，它是由ST公司研制而成，该芯片的内核为ARM公司的32位Cortex-M3处理器。其主要完成完成系统的整体协调与控制命令，实现指令的解析与组帧，完成通信方式的转换，完成照明灯状态的实时更新与存储。

所述第一电源模块采用金升阳双路电源模块LH10-10D0512-02，该电源模块将220V转换为两路电压，分别为12V和5V，电路设计图如图2所示。其中5V一路转化为3.3V分别为第一微处理器和第一WIFI通信模块供电，电路设计图如图3所示，12V一路转换为5V为电力线载波通信模块进行供电，电路设计图如图4所示。

电力线载波模块与微处理器通过串口连接进行数据通信，载波发送开关节点相关数据信号通过模块耦合到电力线，接收信号通过模块解耦，整个过程实现数据的收发。电力线载波模块内部包含数据处理主芯片，发送和接收配置线路，通过变压器线圈实现与电力线的耦合，主芯片是载波的收发处理芯片，与微处理器之间串行通信。

由于系统有强电接入，为了对第一微处理器进行保护，在第一微处理器与电力线载波通信模块通信模块之间设置了DC/DC数字隔离保护模块。该系统中采用工业级Si8663型号的数字隔离芯片。Si8663数字隔离芯片具有六路通道其中三路的传输方向由微处理器到低压电力线载波通信模块，其余三路通道的传输方向是由低压电力线载波通信模块到微处理器；它具有宽范围的工作温度，数据传输速率150Mbps，与同类产品比较，其抖动性能最低，可保证具有最低的数据传输错误和误码率。

为了方便参数数据及节点状态的存储，系统设计数据存储模块以保证数据的安全性。本系统主要采用工业级SST25VF032B串行闪存，此芯片采用四线、兼容SPI的接口。SST25VF032B器件是增强型器件，与一般的存储器件相比，提高了工作频率并降低了功耗。

人机交互模块包括按键和显示屏两部分，通过不同的按键组合操作，可以在显示屏中查询历史参数及节点状态数据，除此之外，也可以单独查询到某个特定照明开关节点在一天内的变动状态，从而方便相关数据的记录。

智能开关节点中的第二微处理器完成系统的整体协调与控制命令。具体来说，完成对开关面板按键连接口状态和继电器模块状态的实时监测、在上电和继电器发生动作(包括开关面板控制和上位机控制)时将照明灯地址及对应灯状态上报、在接收到协同控制网关的指令时实现对应的响应。

考虑到智能开关节点要装入86暗盒的体积要求以及整个电路所需电压和功率的要求，第二电源模块选用金升阳LDE小体积系列电源，型号为LDE03-20B05，体积为37mm*24.5mm*18mm，其输出功率为3W，标准输出电压及电流为5V/600mA。该电源模块将220V电压转换为一路5V电压，其电路设计图如图5所示。5V电压一方面直接给两路继电器供电，另一方面5V电压经电压转换芯片SPX1117M3转为3.3V电压为微处理器、WIFI通信模块进行供电，其电路设计图如图6所示。

所述第一WIFI通信模块和第二WIFI通信模块的选用型号为USR-WIFI232-B2。第二WIFI模块的作用是以STA模式作为无线网络的终端与协同控制网关上的WIFI模块进行通信以实现数据的双向传输。第二WIFI通信模块的电路设计图如图7所示，其中绿色LED是通信接收指示灯，红色LED是通信发送指示灯。

智能开关节点中的继电器模块完成第二微处理器对照明灯亮灭的控制实现，选用了松乐继电器SRD系列，具体型号为SRD-05VDC-SL-C。本装置中选用两路继电器即一个智能开关节点可实现对两个照明灯的控制。继电器相当于一个开关，其中包含常闭端子、常开端子和公共端，在断开状态下公共端与常闭端连接，在连接状态下公共端与常开端连接。继电器的主要作用是在第二微处理器的控制下控制照明灯的开启和关闭。

智能开关节点中第二微处理器与开关面板连接原理图如图8所示，第二微处理器时刻监测IO口的状态，当监测到IO为低电平变为高电平或者高电平变为低电平时，表示开关面板按键动作，此时第二微处理器会反转对应继电器模块的动作。智能开关节点中开关面板连接口电路设计图如图9所示，其中在该硬件设计中IN3和IN4引脚分别与第二微处理器的对应引脚相连接，均设置初始化为低电平，同时，P4与外部开关面板对应接线。第二微处理器时刻监测IN3和IN4引脚的电平高低，若监测到电平变化，则对应控制继电器引脚从而控制继电器动作，从而改变照明灯的状态。

所述智能开关节点安装在既有建筑中照明系统的86盒里。

如图10所示，本发明还提供了一种面向既有建筑照明开关智能控制方法，应用于上述的面向既有建筑的照明开关智能控制系统，包括以下步骤：

1)初始化配置安装在既有建筑对应电力线线路上的协同控制网关；

2)初始化配置安装在既有建筑照明系统的86盒中的智能开关节点；

3)协同控制网关确定区域范围内的智能开关节点的连接情况，判断所配置智能开关节点是否全连接，若全连接，则继续下一步；

4)根据地址及配置信息，智能开关节点依次将对应照明装置的地址和状态信息上报给协同控制网关，继续下一步；

5)协同控制网关是否接收到智能开关节点对应的地址与照明装置状态信息，若是，则继续执行下一步，否则返回执行第4步；

6)协同控制网关将接收到的智能开关节点对应的地址与照明装置状态信息解析后按对应顺序存储，继续执行下一步；

7)智能开关节点实时监测对应照明装置的继电器模块状态，若继电器模块状态发生变化，继续执行下一步；

8)智能开关节点将照明装置的地址和最新状态信息上报给协同控制网关，跳转执行第5步；

9)协同控制网关是否接收到上行用户通过上位机输入发来的请求指令信号，若是，继续执行下一步；

10)协同控制网关接收上行用户通过上位机输入发来的请求指令信号并进行解析；

11)协同控制网关若接收为查询指令，则执行第12步，若为控制指令，则跳转第13步；

12)根据接收查询指令的照明地址，协同控制网关将最新存储的对应的照明装置状态通过电力线载波通信方式上传给上位机；

13)协同控制网关解析接收控制指令的信息并组帧后完成通信方式的转换，通过第一WIFI通信模块发送给智能开关节点，继续执行下一步；

14)智能开关节点接收到控制指令并解析后，根据对应照明装置地址及照明的状态响应对照明装置的控制，跳转第7步。

所述协同控制网关与智能开关节点之间通信选用随机信道分配。

协同控制网关存储照明灯状态的实时更新存储机制，当存储照明灯地址和状态的数组没有任何状态信息时，协同控制网关会主动给智能开关节点依次下发状态查询指令；当协同控制网关接收到上行用户信息的查询指令时，该系统只需根据所要查询的开关节点地址在存储节点地址与状态的数组中找到对应状态信息并将其组帧上报即可，而无须再下发查询指令，从而提高了通信效率。

智能开关节点的上电上报与变化上报机制。智能开关节点在通电后，会主动上报对应照明灯的状态信息帧。该系统会时刻监测节点对应继电器的状态，只要继电器状态变化，该系统也会主动上报对应节点的状态信息帧，从而保证了协同控制网关中存储的照明灯状态的实时更新。

协同控制网关与对应上位机之间及协同控制网关与智能开关节点之间的通信均使用了国网多功能电能表通信协议，即DL/T645-2007通信协议。协同控制网关的详细工作流程如图11所示。首先，协同控制网关判断是否有接收到智能开关节点上报的状态信息，若没有收到，则其会下发依次查询指令，直到接收到所有照明灯的信息。在接收到智能开关节点上报的地址(设定地址为55和56)与各个灯(一个智能开关节点最多可控制两个照明灯)状态时，协同控制网关会将接收到的状态信息依次存入数组中。当协同控制网关接收到上行用户输入指令时，会先判断指令中对应地址是否正确，若正确，继续判断接收帧的第11位，当第11位为0x33时，表明接收信息为查询指令，此时协同控制网关会在储存状态的数组中依据所需查询照明灯的地址读取该灯状态并上报。当第11位为0x55或者0x56时，表明接收信息为控制指令，接下来要判断接收帧的第12位和第13位，若接收帧的第12位和第13位分别为0x34和0x34，表明是控制该智能开关节点地址下的灯1打开；若接收帧的第12位和第13位分别为0x34和0x33，表明是控制该该智能开关节点地址下的灯1关闭；若接收帧的第12位和第13位分别为0x35和0x34，表明是控制该智能开关节点地址下的灯2打开；若接收帧的第12位和第13位分别为0x35和0x33，表明是控制该该智能开关节点地址下的灯2关闭。

智能开关节点详细工作流程如图12所示。智能开关节点在上电时会上报两个照明灯的状态，因该智能开关节点能够实现对照明灯的手动控制和远程控制，该系统会实时监测继电器的引脚状态和开关面板对应引脚状态。当开关面板发生动作时，该系统会检测到对应引脚状态的变化，故会对应反转对应的继电器的状态，从而实现对应照明灯状态的反转，之后便会将照明灯最新的状态信息组帧上报给协同控制网关。当智能开关节点接收到来自协同控制网关的信息指令帧时，会判断地址是否正确，在地址正确的前提下再继续判断接收帧的第12位和第13位，若接收帧的第12位和第13位分别为0x33和0x33，表明是协同控制网关下发的信息查询指令，此时将照明灯状态的信息组帧上报即可；若接收帧的第12位和第13位分别为0x34和0x34，表明是协同控制网关下发的控制灯1打开指令，此时将对应控制灯1继电器动作，然后将最新照明灯状态的信息组帧上报；若接收帧的第12位和第13位分别为0x34和0x33，表明是协同控制网关下发的控制灯1关闭指令，此时将对应控制灯1继电器动作，然后将最新照明灯状态的信息组帧上报；若接收帧的第12位和第13位分别为0x35和0x34，表明是协同控制网关下发的控制灯2打开指令，此时将对应控制灯2继电器动作，然后将最新照明灯状态的信息组帧上报；若接收帧的第12位和第13位分别为0x35和0x33，表明是协同控制网关下发的控制灯2关闭指令，此时将对应控制灯2继电器动作，然后将最新照明灯状态的信息组帧上报。这样，便可实现了智能开关节点的变化上报机制。协同控制网关与智能开关节点之间通信选用随机信道分配，避免冲突。

本发明提供的面向既有建筑的照明开关智能控制系统，由协同控制网关和智能开关节点两部分组成，能够实现电力线载波与WIFI通信方式的相互转换，在既有既有建筑中实现了电力线载波通信对智能开关节点系统的智能控制，扩展了智能开关节点的通信方式。

在面向既有建筑照明开关智能控制方法中，智能开关节点的上电上报与变化上报机制和协同控制网关关于照明灯状态实时更新存储机制，在一定程度上提高了智能照明系统的通信效率，也解决了既有建筑系统中智能照明开关通信方式局限性的问题，从而实现既有建筑整体系统对照明开关的智能控制。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。