CN102118206A - 一种基于广播原理的照明设备无线组网方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于广播原理的照明设备无线组网方法和系统。本发明涉及照明和通信领域。本发明在物理层上是基于无线单向广播方式，接收设备只接收通信，不答复和确认。网络实体包括：控制中心、广播局、中继器和智能照明设备。通信帧内容包括：广播频道、同步时间、序列号、对时约定、命令。网络逻辑拓扑结构是利用工作频道标识码来设置。系统特点是：网络实体拓扑结构和逻辑拓扑结构分离、设备铺设和配置分离、可根据通信环境动态网络优化、频道占用时间根据应用调整、成本低。本发明目的是满足照明设备大规模组网应用。

Description

一种基于广播原理的照明设备无线组网方法和系统

技术领域

本发明涉及照明和通信领域。

背景技术

当前照明设备组网有DIM512、DALI等照明专用组网协议，但这些协议限制设备数量并且只适合有线组网的方式。当照明设备大规模组网时，网络建设复杂，施工成本高。

当前照明设备没有专用无线组网方式，应用较多的是Zigbee、WiFi等通用组网协议，如专利号200710140695.3描述了基于Zigbee的照明组网方式，其特征在于主控单元为Zigbee网关，包括信息收和发子模块。由于协议的物理层和链路层都是基于双向点对点通信，通信协议复杂、器件成本高。

在道路照明改造、生物工厂照明、移动照明等很多照明应用中，既需要施工成本低的无线组网，又对成本特别敏感，目前已有组网方式不能满足要求。

发明内容

本发明是一种基于广播原理的照明设备无线组网方法和系统，本发明的设计理念是根据照明系统控制信息少、时延不敏感、容错能力强、成组控制、物理拓扑结构复杂多变、施工成本高等特点设计专用的通信系统，本发明的系统特点是：网络实体拓扑结构和逻辑拓扑结构分离、设备铺设和配置分离、可根据通信环境动态网络优化、频道占用时间根据应用调整、时分和码分结合、成本低。本发明的目的是满足照明设备大规模组网应用。

网络物理层和链路层

本发明所描述的组网方式在物理层上是基于无线单向广播方式，通信发送设备只有发送器件，发送指令给所有的设备；接收设备只有接收器件，不给发送方答复和确认。广播是通过空中无线信号传输。

本发明是时分和码分系统。系统利用通信时间的对时约定实现时分通信，利用工作频道实现码分系统。

本发明中空中无线信号的频率、编码方式、信号帧结构、发射天线、接收天线等物理层和链路层技术借鉴其它成熟规范。

网络组网实体

本发明网络组网实体包括控制中心、广播局、中继器和智能照明设备。

●控制中心的功能是控制所有照明设备。

●广播局的功能是广播控制中心的指令。广播局与控制中心采用传统的通信方式，广播局与智能照明设备通信采用本发明定义的方式。一个广播局可以控制多组不同的智能照明设备，每个广播局存储自己的控制智能照明设备的工作频道的列表。

●中继器的功能是中继接收到的广播。中继器包括一个接收无线广播的装置和发射无线广播的装置。每个中继器永久存储需要本中继器中继的工作频道列表和动态存储一定时间段内已发送的通信帧。当接收到通信帧时，中继器只中继未发送过且广播频道在工作频道列表中的通信帧。

●智能照明设备接收广播信号并执行命令。智能照明设备包括接收无线广播的装置、智能控制器和照明部分。智能控制器解码接收到的通信帧并转变为控制照明部分的物理信号。智能照明设备永久存储唯一标识照明设备的ID号和一个可根据指令修改的工作频道号。智能照明设备可能会接收到多个广播局的通信帧，但它只处理自己工作频道的指令。

中继器和智能照明设备都永久存储一个用于调试和配置设备的调试频道，一个网络内的所有设备的调试频道相同且唯一，不同网络的调试频道可以不同也可以相同。

网络拓扑结构

智能照明设备按照实际照明应用的地理位置分布组成网络实体拓扑结构；广播局和中继器是按照明应用的设备容量、空间布局、时延要求、成本和控制特征综合需要设置；智能照明设备与广播局没有直接隶属关系，可以一个广播局控制多组不同的照明设备，也可以多个广播局控制一个设备，同时网络可以只有一个广播局和多个中继器，也可以只有多个广播局而没有中继器。

本发明利用工作频道这个标识码来设置网络逻辑拓扑结构。照明设备在实体网络基础上按控制需要逻辑上被分成若干组，组与组之间分别控制，组内所有设备统一控制。网络中的每个组被分配唯一的工作频道，组内的设备都按这个工作频道标识。广播局存储逻辑上所有可以控制的照明设备的工作频道；中继器永久存储需要本中继器中继的工作频道，中继器和广播局的工作频道列表实际上是控制中心指令的路由表。例如，在办公室照明应用中，不同的房间需要单独控制，所有给每个房间分配唯一的工作频道。组网时若采用每层楼配置一个广播局的方案，由于法拉第栅型屏蔽和瑞利衰减存在，广播局无线信号无法直接到达某些房间，需要一次甚至多次中继才可达到。此时仍将该房间的工作频道加入到广播局中，并同时加入到中继路经中的中继器的广播列表中，这样控制信息就按工作频道的路径传递到房间中。组网时若改为每层楼多个广播局，则需要重新配置广播局和中继器的工作频率列表。注意：广播局和中继器配置位置和数量与网络的逻辑拓扑结构无关。

附图的网络拓扑图描述了网络的拓扑结构，智能照明设备根据照明地理分布组成网络实体拓扑结构，广播局和中继器根据智能照明设备组成的网络的结构特点和控制特点布局。虚线框描述的是照明设备逻辑分组，广播局和中继器根据逻辑组的布局配置工作频道列表。

网络参数

网络参数是网络布局和设备特性确定后网络所固有的参数。

广播局重复广播次数N。

广播局第x次重复广播的最大间隔时间TRx，要求Trelay＜TR2＜...＜TRn。

智能照明设备一次监听的最大持续监听时间Tlisten，要求Tlisten＞TR2......+TRN。

中继器接收广播并再次广播出去的最大时间Trelay。

隔时监听的最大次数RN。

通信帧格式

广播局每次通信发送一个通信帧，内容包括：广播频道、同步时间、序列号、对时约定、命令

1.广播频道表示本次广播的频道。广播频道分为工作频道和调试频道。调试频道是一个特定永久保存的标识码，一个网络内所有设备的调试频道相同。工作频道逻辑上相当于一组智能照明设备的标识码。广播局广播时在每个广播帧设置广播频道。

2.同步时间表示本通信帧发出时的绝对时间。控制中心周期同广播局同步时间，广播局借助同步时间修正直接接收广播中继器和智能照明设备。中继器中继时间忽略不计。

3.序列号表示本次发送的通信帧是第几次重复。广播局每重复一次广播本序列号加1。

4.对时约定表示的是下次广播的时间。它是一个相对时间，即相对于本次通信后多长时间开始下次广播。在很多照明应用中，照明设备几个小时才调一次光，为了延长通信器件寿命和节省能耗，通信帧中包含下次通信的时间的约定。智能照明设备成功接收本次广播帧后，可以根据约定关闭接收无线广播的装置。对时约定分三种模式：

1.时时监听模式。此模式指定智能照明设备接收完本命令后，不关闭接收无线广播的装置，时时等待下次广播。

2.隔时监听模式。此模式指定智能照明设备接收完本命令后，关闭接收无线广播的装置，等到下次监听启动时间Tnext后，打开接收装置，若在最大监听时间Tlisten内未收到广播，关闭接收无线广播的装置，再等到对时约定时间Tnext后，打开接收装置。重复这个过程RN次后进入通信异常状态；在这种模式下，广播局只能在一个周期时间内的特定时间点控制智能照明设备。

3.约定监听模式。此模式指定智能照明设备接收完本命令后，关闭接收无线广播的装置，等到下次监听启动时间Tnext后，打开接收装置，若在最大监听时间Tlisten内未收到广播，则进入通信异常状态。

5.命令是对智能照明设备的控制指令。

下次监听启动时间Tnext＝T-(TR2+TR3..TRn)，T为对时约定值，n为收到的帧的序列号。

通信流程

控制中心向广播局下达控制指令后等待广播局的命令确认回复，收到回复后，控制中心与广播局完成了本次通信。广播局回复命令后，立即开始发送第一次广播，序列号为1；在等待t2时间后，发送第二次广播，序列号为2；等待t3时间后发送第三次广播......连续这样发送N次，发送完成后即认为完成本次通信。t2......tn是随机数，Trelay＜tx＜TRx。

智能照明设备接收到广播后根据广播频道号判断这是否是自己的数据，不是则继续监听；若是则执行命令，并根据对时约定模式调整监听状态。在隔时监听和约定监听模式中，由于智能照明设备收到自己的通信帧后关闭通信接收，所以设备只会收到到达的第一个通信帧。

中继器收到广播后检索自身的工作频道列表，如果不在列表中，则丢弃通信帧；如果在列表中，则判断帧是否自己已广播过，广播未被广播的通信帧；然后将此帧加入已广播列表。

通信冲突

由于重复广播的最小时间大于中继最大时间，所以广播局和收到自己的中继器不会出现同时广播的情况。当控制中心同时向很多个不同广播局下发广播命令时，就有可能出现无线频率上的冲突。

广播局和中继器并不识别冲突，冲突发生时，广播的数据编码错误而自然作废。由于播局在随后会随机时间再次广播，所以再次冲突的可能性很小。

在照明网络布网时，注意广播局和中继器的密度，并通过调整再次广播的最大间隔时间Tx可以有效解决冲突。

通信异常

通信异常定义为智能照明设备无对时约定时间或在约定的时间内未收到广播信号。

智能照明设备加电启动后首先进入通信异常模式。

通信异常模式时：智能照明设备按最安全的方式运行并且进入时时监听模式。例如当道路照明应用发生错误时，照明设备输出最大功率照明。同时，设备时时监听广播信号。

网络配置

网络配置主要是通过对智能照明终端、中继器和广播局的广播频道配置实现网络的逻辑拓扑结构。网络的配置与网络的控制逻辑一一对应，即通过配置智能照明终端的广播频道，实体网络逻辑上配置成了独立的控制组。通过配置广播局和中继器的工作频道列表，阻隔的物理无线波逻辑成了连续的控制路径。

网络的配置可在任何设备组网时间利用调试频道完成设置。

6.有三种方法配置智能照明终端网络：

7.命令中指定某个智能照明终端的设备ID号，将此ID号的设备的广播频道设置为命令值。由于设备的设备ID号唯一，设备被分进不同组内。

8.命令中指定智能照明终端设备ID号号段，将号段内所有设备的广播频道设置为命令值。这样可以一次设置多个设备。

9.命令中不指定设备ID号，这时所有接收到广播的设备的广播频道设置为命令值。这样可以一次设置所用工作设备。

10.广播局是根据网络实体配置的。首先，广播局信号范围覆盖的终端广播频道都添加到广播局的列表中。其次，将需要控制但必须通过中继器中继才能控制的设备的广播局也加入列表。

11.中继器是根据逻辑传播路径配置。讲中继器直接控制和再次中继才能控制的设备的广播局加入列表。

12.控制中心在数据库中存储所有的广播局和智能照明终端配置信息。

附图说明

网络拓扑图

具体实施方式

下面结合一个具体LED路灯改造实施案例来说明本发明实施方式。

网络拓扑结构

路灯的网络呈“#”型，是按照路段等级和特点来分别控制。不同的路段长度不同，最短的有100米，最长的500米；不同的路段路灯瓦数不同；所有路段路灯间距都是30米。

传统的控制方式开关控制。系统在每个路口配一个控制柜，控制柜可以手动或按控制中心要求控制周边路段的通电和断电。控制柜采用CDMA无线DTU与控制中心通讯。

新的控制方式是根据应用调光控制。LED路灯是可调光路灯，控制中心下发调光要求。调光响应时间在10分钟左右即可，实际上响应时间差别反而可以减少对电网的冲击。

无线网络规划时借用了原电网网络的拓扑结构。每个控制柜对应一个广播局，控制柜的一条电路线路对应一个工作频道。这样广播局可以借助控制柜的CDMA无线DTU与控制中心通信，同时配置和维护网络时可以借用传统的通断电检修路灯方法。

网络采用通信距离为300米2.4G无线方案，天线采用沿路段纵横方向的多向定向天线。为了保证通信可靠性，设计上要求每盏路灯必须能收到两个方向的广播信号。所以长度超过300米的路段中部和只有一端配广播局的路段的另一端都配备一个中继器。

网络配置

网络的实际配置是利用工程车完成的，它能够广播和接收通信帧并能时时与控制中心现场通信。

LED路灯通电后直接进入到通信异常模式，输出最大照明并进入时时监听模式。此时工程车广播配置帧设置工作频道即可。由于控制柜可以将配置路段的灯通电，其它路段灯断电，所以配置指令采用命令中不指定设备ID号的方法。配置后，通过广播关灯和开灯指令人工检验每盏灯配置是否成功。

中继器收到调试帧中的工作频道列表后存储在flash存储器中。配置中继器后，通过验证在列表中的通信帧和不在列表中的通信帧是否被中继来检验配置。

路段配置完成后，工程车通过控制中心将配置信息发送给广播局存储。广播局与控制中心采用的是双向确认通信机制，所以无需在检验。

通信流程

广播局通电后，立刻与控制中心通信，获取控制信息。然后广播出去。LED路灯通电后进入到通信异常模式，等待广播。首次通信成功后，双方进入隔时通信模式。

广播局每5分钟开始广播通信帧，连续广播重复3次，第一次立即广播，然后等5到10秒的随机时间后广播，第三次等11-20秒随机时间后广播。广播内容是控制中心最后下发的指令。

LED路灯每5分钟打开接收装置接收一次指令，LED路灯无论收到的是第几次重复，它根据下次监听启动时间Tnext＝T-(TR2+TR3..TRn)都能保证下次在第一帧之前打开接收装置。如果因为突然干扰等原因，30秒内未成功接收到广播帧，则关闭接收装置。4分钟30秒后，再次打开接收装置。连续3次都未成功则进入到通信异常模式，时时等待广播。

控制中心根据需要随时下发调光指令给广播局。

网络效率统计

指令的平均时延小于3分钟，正常情况最大时延是8分钟，满足10分钟延迟要求。

设备通信器件的工作时间和关闭时间比为1∶9，有效的延长了通信器件寿命和减少通信污染。

网络虽然没有通信确认机制，但由于设计上每盏路灯能收到两个方向的广播信号并且采用了隔时通信机制，实际通信可靠性在无线环境相同的情况下比传统无线通信更优。

整个网络除了少数中继器包括收发器件，路灯全部是小功率的接收器件，成本降低70％。

Claims (9)

1.一种基于广播原理的照明设备无线组网方法和系统，网络实体包括：控制中心、广播局、中继器和智能照明设备；通信帧内容包括：广播频道、同步时间、序列号、对时约定、命令；其特征在于，广播局无线单向广播通信帧，智能照明设备只接收符合自己工作频道的通信帧，不答复和确认。

2.如权利1所述方法和系统，其特征在于，网络实体拓扑结构和逻辑拓扑结构分离，即智能照明设备依据照明的地理分布搭建网络实体拓扑结构，广播局和中继器根据智能照明设备网络实体拓扑结构特点按照明应用的设备容量、空间布局、时延要求、成本和控制特征综合需要设置，智能照明设备与广播局没有直接隶属关系。

3.如权利1所述方法和系统，其特征在于，利用工作频道这个标识码来设置照明网络逻辑拓扑结构，中继器和广播局的工作频道列表实际上是控制中心指令的路由表。

4.如权利1所述方法和系统，其特征在于，利用通讯帧实现时分通信，即通信帧中约定了下次通信的时间，约定包括“时时监听”、“隔时监听”和“约定监听”三种模式，智能照明设备利用序列号计算重复广播的最大时间，根据约定关闭无线接收装置，并最终在下次第一帧到来之前打开接收装置。

5.如权利1所述方法和系统，其特征在于，利用通讯帧实现码分通信，通信帧中的广播频道分为工作频道和调试频道，调试频道是一个网络内所有设备都永久存储并用于调试和配置设备的唯一的标识码；工作频道逻辑上相当于一组智能照明设备的唯一标识码，广播局只广播匹配自己工作频道列表的通信帧，中继器只中继匹配自己工作频道列表的通信帧，智能照明设备只处理匹配自己工作频道的通信帧。

6.如权利1所述方法和系统，其特征在于，设备铺设与网络配置分离，即利用统一的调试频道设置代表网络逻辑结构的工作频道。

7.一种中继器设备，包括一个接收无线广播的装置和发射无线广播的装置，其特征在于，永久存储唯一标识设备的ID号和调试频道、存储一个可根据指令修改的工作频道列表、动态存储一定时间段内已发送的通信帧列表、只中继未发送过且广播频道匹配工作频道列表的通信帧。

8.一种广播设备，其特征在于，命令被多次重复广播并通过序列号标识次数，每次广播是在定又的时间范围内随机时间广播，定义的时间范围随次数递增而加长。

9.一种智能照明设备，包括接收无线广播的装置、智能控制器和照明部分，其特征在于，设备通信部分只有无线接收装置、永久存储唯一标识设备的ID号和调试频道、存储一个可根据指令修改的工作频道号，有三种利用调试频道配置工作频道的方法：指定设备唯一ID号、指定一组设备的ID号段、配置所有能接收到广播的设备。