(495) 988-43-61
многоканальный
О компанииПродукция ПроектыПартнерамКонтакты
 
 
Продукция
 




Скачать каталог в pdf


 
Информация
 


 
Статьи
 










Главная  /  Статьи  /  Город Сочи – управление освещением

Город Сочи – управление освещением с помощью радиомодулей XBEE

Было бы смешно использовать для внутреннего и наружного освещения такие современные устройства, как полупроводниковые осветительные системы, и управлять этими устройствами, условно говоря, при помощи рубильников или индивидуальных кнопочных выключателей. Современному освещению – современное управление, например – беспроводное, на базе радиомодулей XBee. В статье – примеры реально работающих систем беспроводного управления освещением (Германия, Англия, Россия (Сочи)) и практические вопросы настройки модуля XBee для использования в блоке питания светодиодного светильника с регулировкой яркости.

Под беспроводным управлением освещением в данной статье понимается передача по радиоканалу цифровых значений «включено» и «выключено», изменение скважности ШИМ-сигнала для регулировки яркости, считывание цифровых и аналоговых значений для контроля за состоянием светильника. Все эти сигналы могут формироваться дистанционно и считываться с радиомодуля XBee без программирования модуля или применения дополнительного внешнего микроконтроллера. Достаточно настроить требуемые параметры и сохранить введенные значения в энергонезависимой памяти. В зависимости от поддерживаемого стандарта - ZigBee/Wi-Fi/DigiMesh - радиомодули XBee имеют различные задержки и разную скорость передачи данных [1]. Это может существенно влиять на применимость того или иного XBee-модуля в конкретном проекте, хотя бы в силу того, что термин «управление освещением» может трактоваться очень широко. В таблице 1 приведены особенности различных серий модулей с точки зрения использования их для управления освещением.

Таблица 1. Использование модулей XBee для управления освещением 
Внешний
вид
Аппаратная реализация (Hardware)Дальность, мПропус-кная способ-ность (полезная, макс.), кбит/сПрограм-мное обес-печениеСетевая топо-логияИнтерфейсы Периферия*ЗадержкиГотовность к построению протя-женных сетей
1 XBee Series 1 DIP 90/1600 115,2 802.15.4 DigiMesh Точка-точка, Звезда, Ячеистая сеть GPIO x 9 ADC x 5 PWM x 2 UART x 1 Десятки мс Низкая
2 XBee ZB (Series 2) DIP 120/3200 35 ZigBee Ячеистая сеть GPIO x 12 ADC x 2 PWM x 2 UART x 1 Датчик °С От сотен мс до десятков секунд (сильная зависимость от количества узлов) Высокая
3 XBee S2C SMD 1200/3200 58 ZigBee Ячеистая сеть GPIO x 20 ADC x 4 PWM x 2 UART x 1 SPI x 1 Датчик °С От сотен мс до десятков секунд (сильная зависимость от количества узлов) Высокая
   XBee 868LP SMD 4000 54,7 P2P, P2MP DigiMesh Точка-точка, Звезда, Ячеистая сеть GPIO x 20 ADC x 4 PWM x 2 UART x 1 SPI x 1 Датчик °С Сотни мс
для P2P До десятков секунд для DigiMesh
Средняя
XBee Wi-Fi 802.11.b.g.n DIP 120 3500 Infrastructure (TCP, UDP) Ad-HOC Звезда, Точка-точка GPIO x 13 ADC x 5 PWM x 2 UART x 1 SPI x 1 Датчик °С Единицы секунд для подключения к точке доступа. Десятки мс при передаче данных Не предназ-начены
* – Функции портов выбираются программно. Указано максимально возможное число линий.

Как следует из таблицы 1, в зависимости от сценария применения оптимальным выбором будет тот или иной XBee-модуль (см. таблицу 2).

Таблица 2. Варианты использования XBee-модулей для управления освещением  
ЗадачаРекомендованный модуль
Управление отдельным светильником (беспроводный выключатель) XBee Series 1 (802.15.4)
Управление набором светильников в пределах помещения до 1000 кв.м XBee-Pro Series 1 (802.15.4)
Управление освещением в пределах многоэтажного дома XBee (ZigBee)/XBee-Pro (ZigBee)
Управление уличным освещением (до нескольких километров) XBee 865/868 LP (DigiMesh)
Управление художественным освещением с большим количеством параметров и удобным интерфейсом через персональные гаджеты c Apple iOS, Android и т.п. XBee Wi-Fi

Сколько светильников можно объединить в беспроводную сеть? Ответ на этот вопрос можно дать только в связке с такими требованиями, как частота передаваемых команд, расстояние и взаимное расположение узлов. Практическая оптимистическая оценка находится на уровне «сотен узлов», хотя представители компании Digi упоминают развернутые сети DigiMesh из нескольких тысяч устройств. Я рекомендую сразу забыть про фантастические цифры типа «65000 узлов в ZigBee-сети» - эта теоретическая цифра означает лишь возможности адресации. В реальной жизни такая сеть работать не будет.

Для подтверждения возможности работы модулей XBee в составе больших сетей компания Digi построила уникальный испытательный кластер K-Node, состоящий из 1000 радиомодулей XBee [2]. При испытаниях радиомодули XBee помещаются на специальные платы блоками по 32 штуки, причем между модулями можно установить необходимое значение затухания для имитирования условий реального объекта. Необходимое количество плат помещается в стойки с возможностью управления каждым XBee-модулем через UART-интерфейс. Гибкие настройки оборудования позволяют тестировать различные топологии, например - вытянутые в линейку протяженные mesh-сети для систем управления освещением. Джаред Хофинс, специалист компании Digi, комментирует возможности этой уникальной тестовой системы (рис. 1) - «Гибкость настроек оборудования позволяет нам симулировать различные приложения - от мониторинга трубопроводов до управления уличным освещением или систем сбора данных со счетчиков энергии. Именно это делает модули XBee максимально надежными и наиболее тестируемыми модулями на планете».

 

Тестовый стенд K-Node

 

Рис. 1. Тестовый стенд K-Node

 

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗОВАННЫХ ПРОЕКТОВ

ГЕРМАНИЯ. РЕШЕНИЕ ФИРМЫ OWLET

Компания OWLET GmbH (входит в группу Schreder Lighting) реализовала на базе модулей XBee систему управления уличным освещением города (рис. 2) [3].

 

Система городского освещения

 

Рис. 2. Система городского освещения

 

При выборе решения рассматривались различные технологии, в частности PLC и радиоканал. Для выбора оптимального решения был проведен ряд натурных испытаний, которые должны были дать ответы на следующие вопросы:

1. Насколько влияет работающая сеть Wi-Fi на работу ZigBee-сети?

2. Что обеспечит большую скорость - система на PLC или ZigBee?

3. Какой мощности XBee-модуль выбрать, какую антенну использовать?

По результатам анализа выбор был сделан в пользу беспроводной ZigBee-сети, которая даже при наличии работающего Wi-Fi обеспечила пропускную способность в пять раз выше, чем передача данных по силовой проводке. Здесь следует отметить, что влияние Wi-Fi можно существенно уменьшить, если принудительно выбрать определенные частотные каналы 802.15.4, т.е. те, которые не пересекаются с полосами Wi-Fi (рис. 3).

 

Каналы 802.15.4, свободные от влияния Wi-Fi

 

Рис. 3. Каналы 802.15.4, свободные от влияния Wi-Fi

 

Результаты измерений дальности действия в зависимости от примененной антенны приведены на рис. 4. Испытывались маломощные модули, при этом один модуль размещался на высоте нескольких метров над землей на столбе, второй был закреплен на крыше автомобиля. Эксперимент показал, что маломощные модули со штыревой антенной обеспечивают надежную передачу данных между столбами с расстоянием порядка 100 метров.

 

Дальность действия модулей XBee

 

Рис. 4. Дальность действия модулей XBee

Набор оборудования Owlet Nightshift включает в себя шлюз ZigBee/Интернет и два варианта беспроводных контроллеров, один из которых имеет специальную вытянутую конструкцию и предназначен для установки внутрь фонарного столба (рис. 5). Контроллер позволяет включать-выключать нагрузку до 1000 Вт и управляет диммированием через интерфейсы 1-10 В, DALI и др. Опционально контроллер может включать в себя измеритель потребляемой мощности. Кроме радиоканала, в контроллер встроен резервный механизм управления освещением по астрономическому времени, на тот случай, если по каким-либо причинам беспроводный канал будет недоступен. Один шлюз ZigBee/Интернет рассчитан на управление сетью из 150 светильников и доступен для удаленного управления через ADSL, GPRS или 3G.

 

Комплект беспроводного оборудования для управления освещением

 

Рис. 5. Комплект беспроводного оборудования для управления освещением

 

УЛИЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ В Г. СОЧИ

В настоящее время активно развиваются энергосберегающие системы светодиодного уличного освещения. Отличительной особенностью современных светодиодных светильников является наличие регулируемого источника питания, обеспечивающего плавное изменение мощности светового потока в зависимости от внешнего управляющего сигнала. Применение подобных светильников позволяет учитывать фактический уровень естественной освещенности, время суток, и за счет регулирования яркости (рис. 6), достигать максимального качества освещения при минимальных затратах электроэнергии.

 

Регулирование яркости светильника по часам

 

Рис. 6. Регулирование яркости светильника по часам

 

ЗАО «НПО ПРОГТЕХ» [4] реализовало на базе модулей XB24CZ7UIS-004 систему беспроводного управления уличным освещением в г. Сочи. Перед развертыванием реальной сети была проведена большая исследовательская работа по изучению беспроводных сетей и правилам их построения, проанализирована защищенность сети от взлома при использовании шифрования данных по алгоритму AES-128. На данный момент произведена интеграция модулей XBee с программно-техническим комплексом «СПРУТ-М» компании ЗАО «НПО ПРОГТЕХ», расширив его возможности в сфере управления уличным освещением по беспроводному каналу. Сеть базируется на радиомодулях стандарта ZigBee, которые устанавливаются непосредственно в корпус лампы светодиодного освещения (рис. 7) и подключаются к выводам управления.

 

Управляемый ZigBee-светильник

 

Рис. 7. Управляемый ZigBee-светильник

 

Модуль XBee работает от встроенного в лампу источника питания. Схема расположения и внешний вид осветительных столбов показан на рис. 8.

 

План размещения и мачты освещения

 

Рис. 8. План размещения и мачты освещения

 

ZIGBEE-МОДЕМЫ ANCOM

ZigBee-модемы AnCom RZ/L производства ООО «Аналитик-ТС» [5] предназначены для объединения в беспроводную информационную сеть управления освещением (архитектурное, уличное, промышленное, офисное и ЖКХ) осветительных приборов, оборудования и датчиков. Модемы AnCom RZ/L (рис. 9) представляют собой законченное решение для организации беспроводного управления освещением со стороны управляющих терминалов (ПК, пульты, планшеты) из любой точки сети.

 

ZigBee-модем AnCom RZ/L

 

Рис. 9. ZigBee-модем AnCom RZ/L

 

Модемы AnCom RZ/L построены на базе модулей XBee ZB (Series 2) и используют спецификацию ZigBee PRO, расширяющую возможности оригинального стандарта ZigBee, в частности, за счет значительного увеличения дальности действия, большей простоты в использовании и поддержки сетей большего размера. Достоинствами модемов являются:

  • Спецификация ZigBee PRO: простота в использовании и поддержка сетей большего размера;
  • Групповой (DMX512) или адресный (Modbus RTU) доступ к удаленным устройствам со стороны управляющих терминалов (компьютер или сервер на ОС Windows, планшет на базе Android, управляющий Modbus-контроллер);
  • Поддержка сетевых топологий «точка-точка», «звезда», «mesh»;
  • Высокая дальность передачи сигнала за счет использования мощного модуля XBee-Pro (63мВт). Дальность составляет до 90м внутри помещений и до 4км в зоне прямой видимости между соседними узлами;
  • Встроенный адаптер первичного питания;
  • Управление независимыми уровнями освещенности по каналам RGB (динамический адресный протокол управления диммерами по ШИМ);
  • Пофазное включение/выключение пускателей на трансформаторных подстанциях (три выхода «открытый коллектор» для подключения через промежуточное реле);
  • Подключение приборов, управляемых по цифровым интерфейсам RS-232 и RS-485 (надежный и безопасный прозрачный канал связи);

Кроме собственно модемов, компания «Аналитик-ТС» разработала комплект программного обеспечения для полного цикла развертывания и обслуживания сетей ZigBee. Реализован канал группового и адресного управления для включения-выключения нагрузки и регулирования уровня освещенности. Специальные механизмы обеспечивают высокий уровень надежности доставки управляющих команд и восстановление при сбоях. Также в ПО предусмотрена автоматическая ретрансляция передаваемых данных для создания зон сплошного информационного покрытия в масштабах кварталов, районов и небольших населенных пунктов.

 

АНГЛИЯ. САМАЯ ДЛИННАЯ ZIGBEE-СЕТЬ

Необычный художественный проект «Connecting Light» реализован в Англии - 400 цветных управляемых шаров-светильников были размещены на дистанции в 117 километров, вдоль Стены Адриана, пересекающей Англию от Ирландского до Северного моря (рис. 10).

 

Проект «Connecting Light»

 

Рис. 10. Проект «Connecting Light»

 

Управление цветной светодиодной подсветкой было выполнено на программируемых модулях XBee (рис. 11), которые были объединены в гигантскую ZigBee-сеть [6]. Соседние шары располагались на расстоянии от десятков до сотен метров, передача данных происходила по цепочке с большим числом ретрансляций. Кроме передачи данных, в модулях был задействован ШИМ-интерфейс, что позволило создать эффект плавно переливающихся цветов. Управление всей сетью происходило через Интернет с помощью шлюза Connect Port.

 

Радиоуправляемый RGB-светильник

 

Рис. 11. Радиоуправляемый RGB-светильник

Беспроводной шлюз Connect Port X2-Z11-EC-W (рис. 12) предназначен для получения доступа к сети ZigBee с помощью IP-сетей, например, через локальную сеть предприятия или Интернет. Для подключения к ZigBee-сети в X2-Z11-EC-W встроен беспроводной модуль XBee повышенной мощности, к сети Ethernet шлюз подключается с помощью стандартного разъема. Шлюз может быть бесплатно подключен к облачному серверу iDigi® для удаленного мониторинга развернутой ZigBee-сети через WEB-интерфейс. В качестве узлов сети могут выступать готовые адаптеры или устройства собственной разработки, построенные на базе модулей XBee. Шлюз выполнен в пластиковом корпусе, что позволило производителю снизить цену по сравнению с индустриальной версией в металлическом корпусе. Питание шлюза осуществляется от входящего в комплект поставки сетевого блока питания 5 В.

 

Шлюз Connect Port X2-Z11-EC-W

 

Рис. 12. Шлюз Connect Port X2-Z11-EC-W

В ночь на 1 сентября 2012 года древнеримская Стена Адриана, построенная 2000 лет назад и включенная в список памятников Всемирного наследия ЮНЕСКО, превратилась в самое длинное в мире произведение искусства. С технической точки зрения успешная реализация данного проекта показала применимость современных беспроводных решений и, в частности, модулей XBee, для организации территориально распределенных сетей, состоящих из сотен узлов.

 

УПРАВЛЕНИЕ ОСВЕЩЕНИЕМ. ПРАКТИЧЕСКИЙ ОПЫТ

Рассмотрим простейшую систему управления светодиодным освещением на базе модуля XBee Series 1.По беспроводному каналу 2,4 ГГц мы будем включать-выключать нагрузку и управлять диммированием с помощью ШИМ. Также реализуем канал мониторинга, включающий в себя контроль доставки команды и состояние линии управления («действительно ли светильник включен?»). В принципе, портов хватит и на опциональный канал измерения температуры, однако, его реализацию здесь мы рассматривать не будем. Управление всеми этими параметрами можно выполнить, не прибегая к помощи внешнего микроконтроллера на стороне светильника, достаточно правильно настроить модули XBee. Мы ограничимся работой беспроводной сети в стандарте 802.15.4, где не предусмотрена маршрутизация сообщений через промежуточные узлы, поэтому наша сеть может быть построена по топологии «звезда» - с одной центральной точки можно индивидуально управлять множеством объектов. Принципиальная схема беспроводного устройства управления светильником («приемник») приведена на рис. 13.

 

Контроллер светильника (приемник)

 

Рис. 13. Контроллер светильника (приемник)

Подразумевается, что управляет светильником интеллектуальный контроллер, в качестве которого выступает персональный компьютер с подключенным к нему XBee-модулем (сервер). ПК будет отправлять команды и считывать данные с помощью API-фреймов соответствующего формата. Однако часть функций управления можно реализовать с помощью автономного пульта управления («передатчик»), который, к слову, может действовать параллельно с центральным сервером. Такой пульт будет полезен на этапе развертывания сети или при проверке контроллеров в процессе производства. Схема пульта приведена на рис. 14.

 

Пульт управления (передатчик)

 

Рис. 14. Пульт управления (передатчик)

Пульт позволяет включить/выключить нагрузку и установить требуемую яркость. В нашей демонстрационной системе в качестве имитатора нагрузки будут использованы два светодиода, однако выход ШИМ можно подавать на управляющий вход специализированного блока питания. Раздельные каналы на включение-выключение и диммирование (ШИМ) нужны в силу того, что многие блоки питания и лампы не позволяют использовать ШИМ для полного отключения.

Для корректной работы системы необходимо настроить модули XBee с помощью программы X-CTU. Пример настройки модулей приведен в таблице 3. Не отраженные в таблице 3 параметры необходимо оставить «по умолчанию», т.е. просто не изменять значения, зашитые в модуль при производстве. Подсказка: в программе X-СTU параметры «по умолчанию» отображаются зеленым цветом, измененные - синим. После изменения параметров, не забудьте записать их в энергонезависимую память с помощью кнопки «Write».

Таблица 3. Установка параметров модулей XBee  
ПараметрПередатчикПриемникКомментарий
CH 0F 0F Частотный канал. Выбран канал, на котором минимально влияние помех от Wi-Fi
ID 9999 9999 Идентификатор сети. Выбран произвольно, чтобы отличался от значения по умолчанию и других сетей
DH 0000 0000 Старшая часть адреса получателя. Для использования 16-битной адресации по MY значение DH должно быть равно 0
DL BBBB AAAA Младшая часть адреса получателя информации (ставим взаимно)
MY AAAA BBBB 16-битный адрес модуля. Значения выбраны произвольно
IA FFFF FFFF Адрес отправителя пакта с состоянием портов I/O. На выходах будем отображать данные, полученные от любого модуля нашей сети, т.е. с модуля с ID=9999. Можно организовать управление со множества точек (Передатчиков)
IR C8 Частота отправки пакетов (каждые 200 мс). Отправка происходит в течение всего времени, пока нажата кнопка «Пуск». Значение менее 50 мс не рекомендуется, но возможно при изменении настроек MAC-уровня
PT 0 Отключаем таймер ШИМ (последнее принятое значение не будет сбрасываться по таймеру)
T0 0 Отключаем таймер выхода ВКЛ-ВЫКЛ (последнее принятое значение не будет сбрасываться по таймеру)
T4 0 Индикация включения нагрузки будет сохранять свое значение постоянно (не будет сбрасываться по таймеру Т4)
T7 3 Таймер сигнала (300 мс), инициирующего обратную отправку пакета со статусом нагрузки и значением температуры. Этот таймер сбрасывает принятое значение в “0” (Передатчик всегда отправляет “1” с линии DIO7). Сброс нужен для того, чтобы при следующем нажатии на кнопку «Пуск» на этой линии вновь происходило изменение сигнала. Отправка обратного сообщения инициируетсяизменением сигнала на входе DIO6 (соединен с DIO7)
IC 40 Битовая маска входов. Изменение сигнала только на входе DIO6 приводит к отправке обратного пакета с состоянием входов (только для цифровых портов, АЦП в отправляемый пакет не включается)
D7 3 Настройка порта как вход (3), выход с начальным «0» (4)
D6 3 Настройка порта как вход (3). Изменение сигнала на этом входе инициирует отправку пакета (см. параметр IC)
D4 4 3 Настройка порта, как выход с начальным «0» (4), как вход (3)
D3 5 3 Настройка порта, как выход с начальной «1» (5), как вход (3)
D2 5 3 Настройка порта, как выход с начальной «1» (5), как вход (3)
D1 2 2 Настройка порта, как АЦП
D0 3 5 Настройка порта, как вход (3), выход с начальной «1» (5)

Для управления лампой необходимо выставить требуемую яркость переменным резистором и нужный режим (вкл/выкл) с помощью двухпозиционного переключателя. Отправка сообщений происходит постоянно, пока подано питание кнопкой «Пуск» (кнопка без фиксации). Получение порогового значения температуры (узел измерения температуры на схеме не представлен) и считывание реального состояния выхода включения лампы производится один раз автоматически, после отправки первого пакета от передатчика к приемнику. Для получения данных о температуре доступны только цифровые порты, поэтому можно следить за превышением некоего температурного порога с помощью, например, аналогового датчика и компаратора. Данного ограничения не будет, когда в качестве пульта управления будет использоваться модуль XBee, подключенный к ПК - в такой связке можно отправлять команду на удаленное считывание АЦП с вывода DIO1.

Предложенная схемотехника представляет собой не более чем учебный пример - в реальном устройстве потребуется, как минимум, добавление схемы согласования с нагрузкой (драйвер) и сетевой источник питания 3,3 В. Тем не менее, это вполне работоспособный проект (рис. 15), который демонстрирует простоту интеграции и широкие возможности модулей XBee.

 

Макет системы

 

Рис. 15. Макет системы

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Беспроводные радиомодули XBee сегодня выпускаются для работы в двух радиочастотных диапазонах - 868 и 2400 МГц, в которых реализованы различные сетевые протоколы - «точка-точка», «звезда», 802.15.4/ZigBee, DigiMesh и Wi-Fi. Имеющиеся на борту порты ввода-вывода, АЦП и ШИМ позволяют использовать XBee-модуль в системах беспроводного управления разной сложности - от дистанционного включения отдельной лампы до управления освещением в масштабах улицы или района.

 

Материал взят с сайта http://light.compeljournal.ru