・９２・ 《测控技术｝２０１７年第３６卷第７期 基于ＷＳＮｓ和电力载波的教室智能节能系统设计 李（１．广东科技学院计算机系，广东东莞超 ，杨胜利 ，陈俞强 ５２３０８３；２．东莞职业技术学院计算机工程系，广东东莞５２３８０８） 摘要：为了解决无线通信方式在教室控制网络中易受干扰和教室电器能源浪费问题，提出了一种基于无 线传感器网络（ＷＳＮｓ）和电力线载波通信技术相结合的智慧教室电器节能设计方案。在总结了智慧教 室控制系统研究现状、主要技术难点和挑战的基础上，着重阐述了智慧教室的控制网络拓扑结构和工作 流程，详细分析了电力载波智能收发器的内部结构。此外，还实现了一种基于智能照明控制算法的智慧 教室控制系统的原型。实验结果表明，该系统能够降低数据包的丢失率，相比普通ＬＥＤ照明系统能耗 节省至少４０％，并且运行可靠。 关键词：电力线载波通信；智慧教室；智能照明控制；无线传感器网络（ＷＳＮｓ） 中图分类号：ＴＰ３９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１７）０７—００９２—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｌａｓｓｒｏｏｍ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓａｖｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＷＳＮｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＬＩ Ｃｈａｏ ，ＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ．．１ｉ，ＣＨＥＮ Ｙｕ—ｑｉ．ａｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３０８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ ５２３８０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｅｅ ｏｎ ａ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ，ａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｐｐｌｉａｎｃｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｕｍｍａｒｉ— ｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｍａｊｏｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｉｃｕｌｆｔｉｅｓ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ，ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃａｒｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｓ ｒａｔｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｃａｎ ｓａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｔ ｌｅａｓｔ ４０％ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅ ｒｅｌｉａｂｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｓｍａｒｔ ｃｌａｓｓｒｏｏｍ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＷＳＮｓ 随着信息技术的飞速发展，多媒体教室的网络化、 多元化、智能化成为各个高校教育信息化建设的重要 课题，对进一步改进教学环境、提升教学质量、推动教 收稿日期：２０１６—１０—２９ 育改革和发展具有深远意义。然而，高校的教室不同 于中学，具有开放性，加之缺乏相应的教室资源管理控 制系统，极易造成能源的浪费。教室经常存在一两个 人或无人的情况或者教室内光线充足、温湿度适宜条 件下，照明设备、风扇、空调等长期处于运行状态。此 外，教室的设备一般仍采用手动方式进行管控，设备忘 基金项目：广东省高校特色创新项目（２０１５ＫＴＳＣＸ１６２， ２０１５ＫＴＳＣＸ１６３）；广东省高等学校优秀青年教师培养计划项目 （Ｙｑ２０１３２０１）；２０１５年度广东科技学院院级科研项目（ＧＫＹ一 ２０１５ＫＹＹＢ一１９） 作者简介：李超（１９８７一），男，湖南长沙人，硕士，高级工程师， 主要研究方向为嵌入式系统；杨胜利（１９７２一），男，湖北十堰 记及时关闭造成电能资源浪费时有发生。如何有效地 管理好多媒体教室中各种设备并降低能耗是当前一个 亟待解决的难题。 大量的研究 表明，智能化的教室相比传统的 多媒体教室可以更有效地节省能耗。梁佩莹 和陈 海松 及众多研究者提出的智慧教室架构主要将无 线传感器网络（ＷＳＮｓ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）作为主 人，硕士，副教授，主要从事网络技术、嵌入式应用；陈俞强 （１９８０一），男，广东茂名人，博士，教授，主要从事智能控制方向 的研究 基于ＷＳＮｓ和电力载波的教室智能节能系统设计 要技术，因其具有低成本、功耗小等优势被广泛应用于 远程控制和监控领域。然而，基于ＷＳＮｓ的智慧教室 建设有几个问题还没有解决。文献［６］综合分析并探 讨了采用ＷＳＮ技术的智慧教室所存在的问题，即网络 覆盖超过一定的范围或者非可视距离的传输就会出现 较高的误码率和传输错误。一些ＷＳＮｓ连接技术的改 进方案被相继提出 ，但仍难从根本上解决网络连通 性和可靠性问题。因此，设计一个伸缩性好的网络基 础结构对于ＷＳＮｓ来说非常重要。本文提出了一种基 于ＷＳＮｓ和ＰＬＣｓ（ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，电力线载 波通信）混合通信技术的智慧教室电器控制系统，大 大减轻了采用无线网络技术容易受干扰的影响，同时 也简化了节点结构。目前，虽然很多研究者 提出 了一些智能照明控制方法来实现节能，但是一个高可 靠性、高精度和实用的照明控制系统仍有待发现。本 文通过建立智慧教室控制网络原型，提出一种照明智 能控制算法，并对其进行测试和评估。 １ 网络架构设计 智慧教室是基于物联网技术并集智慧教学、人员 考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制 于一体的系统＿１ 。引入智慧教室概念的一个非常重 要的目的就是降低多媒体教室的功耗，智能化地控制 教室设备。本文主要探讨教室的控制网路搭建和设备 智能管控，关键硬件包括ＰＬＣ收发器、ＺｉｇＢｅｅ终端节 点、ＺｉｇＢｅｅ协调器等。网络控制结构如图１所示，以３ 个教室为例，每个教室设备配备一个ＰＬＣ收发器，能 够直接接收控制命令实现设备的控制，也能够发送一 些设备的状态信息到管理站点。每个教室还部署了一 个的ＷＳＮ，包括若干ＺｉｇＢｅｅ无线传感器节点和一 个被集成到ＰＬＣ收发器中的ＺｉｇＢｅｅ协调器，主要负责 收集温度、湿度、光照等其他环境信息。ＷＳＮｓ的终端 节点主要负责收集教室的实时环境信息并发送到 ＷＳＮｓ协调器，ＰＬＣｓ作为教室之间的主干网络负责连 接协调器并将收集到的环境信息发送到管理服务站 点，以及实时控制教室设备。 智慧教室控制系统由数据采集、数据通信、设备控 ＿ 一查 ……一墼室 …… ……一墼童 …… 皇……塑煮毒ｊ．……ｊ中 图Ｉ智慧教室网络控制结构图 ・９３・ 制和管理站点４个部分组成，系统工作流程框图如图 ２所示。首先，通过ＷＳＮｓ采集温湿度、光照等信息， 然后通过ＰＬＣｓ和ＴＣＰ／ＩＰ网络传输到管理站点，远端 管理站点根据环境和各个设备的信息以优化能耗为目 的，决策所有设备的运行状态。接着，远程管理站点通 过ＰＬＣｓ发送控制命令去更新所有设备的状态。系统 中的ＰＬＣ／ＩＰ网关能够将ＰＬＣ和ＩＰ网络信息融合，轻 松实现接人Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的设备并能够远程实时地监控智 慧教室中的设备。系统的架构简化了节点在ＷＳＮｓ中 的位置优化问题，并且大大减少了无线易受干扰及阻 挡的影响。此外，为了延伸智慧教室的网络，系统可以连 接任意多的ＰＬＣ／ＩＰ网关到管理站点，具有很高的伸缩 性。 图２系统工作流程框图 １．１ ＰＬＣ智能收发器 为了降低ＰＬＣｓ中网络噪音的干扰，系统采用 ＰＬ３１２０芯片作为电力载波模块＿ｌ。。。采用ＰＬ３１２０收 发器的原因如下。 ①ＰＬ３１２０电力线智能收发器使用窄带信号，具 有穿透变压器传输的能力；收发器采用双载波频率信 号技术，当主用频率因噪声受阻能够自动切换到第二 个通信频率；在网络最坏的情况下，ＰＬ３１２０智能收发 器能够重新发送３次数据，确保数据接收端的数据正 确。 ②不同于原始的ＣＳＭＡ协议，ＰＬ３１２０智能收发 器采用一种可预测的Ｐ一坚持ＣＳＭＡ ＭＡＣ协议，一般 致力于设备在网络控制下进行突发通信量下的短数据 包传输；当网络处于空闲或者轻载状态时，所有节点被 随机分布在最小１６个不同延时的随机时隙上发送消 息；当预测的网络负载要增加时，通过因子 （１～６３） 增加随机时隙的数目。ＰＬ３１２０电力线智能收发器使 用＋８．５～＋１８ Ｖ直流电源和＋５ Ｖ直流电源供电并 且在接收模式电流消耗很小。 ③ＰＬ３１２０还集成了电源管理功能，如果在传输 过程中电源电压下降到不足以确保可靠的信号传输 ・９４・ 时，收发器停止工作直到电源电压上升到可接受为止。 这种独特的功能允许电源供应原本电流容量的１／３即 可。最终使其在尺寸、成本以及电源散热上得到降低。 然而，电源的输入直接与通信信道相连接，电源可能减 弱通信信号和在ＰＬＣ收发器中产生一些噪声。所以， 为保证电源不影响通信性能，ＰＬＣ收发器的完整通信 能力非常重要。ＰＬ３１２０的数据手册提供几种电源选 项供选择，ＰＬＣ模块的工作功率小于７．５ Ｗ。为了通 过ＰＬＣ模块控制教室设备，每个设备的开关被集成到 ＰＬＣ收发器中，由ＰＬ３１２０提供的Ｉ／Ｏ口控制，因此只 需要添加少量的电阻和电容即可实现教室设备的开关 电路。 １．２ ＺｉｇＢｅｅ终端和协调器 系统中采用ＣＣ２５３０ ＺｉｇＢｅｅ（ＺＮＰ）网络处理器作 为终端，负责采集环境信息数据。ＣＣ２５３０ ＺＮＰ支持多 种传感器例如温度、光照和重力传感器等。传感器节 点通过ＵＳＢ端口能够下载例程成为ＷＳＮｓ中的协调 器，协调器能够构建整个ＷＳＮｓ并且配置相关的参数， 如图３所示。每个孤立的ＷＳＮＳ系统拥有一个的 协调器，通过设置信标信号来初始化所有的ＷＳＮｓ节 点，如果终端节点不能够接收或者识别信标信号，那么 它会询问协调器尝试再次连接，一旦成功连接，就会定 时发送数据保持连接。所以，节点的状态会在空闲和 传输状态切换直到终端节点与协调器丢失连接。ＰＬＣ 模块与ＣＣ２５３０ＺＮＰ的．ｒｘ引脚３４和Ｒｘ引脚３５连接， 通过串口来获得环境信息数据。 目标板 加速器Ｉ／Ｏ接口 ＰＣＢ天线 外部 光照 温度 接口 传感器 传感器 图３ ＣＣ２５３０ ＺｉｇＢｅｅ终端 ２智能照明控制算法与能耗 为了降低教室设备的总能耗和提高管理效率，教 室智能管理系统应能根据采集到的环境因素实现自动 调整教室设备的工作状态。教室照明作为教室的主要 消耗设备，本文着重分析对照明设备的控制。有研究 者经过统计后建议室内的光照度水平应该在３００— ５００ ｌｘ之间变化。为了节省能耗，自然光也应该被考 虑在智慧教室的智能照明系统中，笔者提出了一种照 明系统的智能控制解决方案，结合光照设备亮度和窗 帘自动调整到最佳照度。 《测控技术｝２０１７年第３６卷第７期 ２．１算法设计 （１）设置两个适当的阈值￡和 。 例如最低的阈值，Ｊ设为５００ ｌｘ，最高的阈值设为 ／叠壬口十 ７００ ｌｘ。假设教室中含有Ⅳ个灯，照度值可以被光敏传 ， 感器检测到。如前提条件（式（１））所示，每个照明电路 叠ｌ十 。支持Ｄ级调光，照明电路的状态级别用 表示，那么０ 叠王口十 ≤ ≤Ｄ。当Ｘ＝Ｄ时，表示照明电路处于全开最亮； ＝０表示照明电路处于关闭。百叶窗用于阻挡室外耀眼 的阳光，也被认为提供 级别的可调范围。百叶窗的 级别用大写字母ｌ，表示，那么０≤ｙ≤Ｗ。当Ｙ＝Ｗ时， 表示百叶窗完全关闭；Ｙ＝０时表示百叶窗完全打开。 ， ：０≤ ≤Ｄ，Ｘ＝０表示关闭，Ｘ＝Ｄ表示最亮 ｆ】 【Ｙ：０≤，，≤ ；Ｙ＝０表示完全打开，Ｙ＝Ｗ表示完全关闭 （２）按算法找到教室光照强度最弱的值ＭＩＮ和 它的位置 Ｐ。 如果光照强度总和（包括室外光照）ＭＩＮ小于最 低的阈值￡，那么可能需要采用自然光来弥补。如果 算法之前没有进行最高阈值判断（即Ｃｏｕｎｔ＝０）并且 百叶窗并没有完全打开（Ｙ＞０），那么将百叶窗的级别 调为Ｙ～１；否则需要调高照明设备的电压，也就是说， 当 Ｐ位置的光照强度总和ＭＩＮ小于最低阈值时，没 有更多的自然光补给，那么应该考虑将自身的设备亮 度调亮。如果 Ｐ位置的设备Ｘ＜Ｄ，那么系统可以使 其 ＋１，调高一个级别增加光照强度。如果级别被调 至到Ｘ＝Ｄ，那么Ｌａｍｐ增加ｌ（Ｌａｍｐ记录亮度调到最 亮的灯的个数，最大值为Ⅳ），程序会跳回继续循环查 找最小值的位置。如果 Ｐ位置的亮度值已经处于 ＝Ｄ级别，那么系统会考虑从其他Ｘ＜Ｄ的照明设备 选择最小值和其位置，增加其级别，循环进行直到照度 满足要求。如果Ｌａｍｐ＝Ｎ，表示所有电路已经全部打 开并调到最亮，仍不能满足照明的最低要求，可见需要 检测和维修电路了。 如果ＭＩＮ超过了最小阈值 ，那么Ｃｏｕｎｔ增加ｌ， 程序循环检测每一个位置的照度是否超过最大阈值 日。同比较最低阈值的原理一样，如果照度ＭＡＸ超过 Ｈ阈值，那么先考虑降低百叶窗的级别，再考虑降低相 应位置的设备的光照级别。 （３）系统进人到一个延时 ，之后循环。 智能照明控制算法（包含遮阳窗帘的控制）的流 程图如图４所示。 ２．２能耗分析与评估 系统的测试环境如图５所示。太阳光由右侧方向 照入，显然右边区域５的照度比左边区域１的照度要 高。根据测量结果，教室后面的平均照度要低于教室 前的照度。为了测试方便，实际电路中以列为单位来 设计照明电路。如图５所示，每一列的ＬＥＤ基于同一 基于ＷＳＮｓ和电力载波的教室智能节能系统设计 ・９５・ 列的照明电路设计。为了验证本文提出的智能控制算 法的优越性，模拟和评估了照明系统的能耗。 其他区域的ＬＥＤ要适当打开来补给以至于不低于５００ ｌｘ光照的阈值。由于本文提出的智能照明控制算法属 于启发式的，所以能够满足最低光照要求下，找到最优 解使功耗最小化。图７（ａ）一图７（Ｃ）分别分析了区域 １，３，５在智能照明控制算法和没有使用智能算法下的 对比结果。 骥 琵 ・ 图６各区域自然光照强度 越 艇 砧 本地时间 （ａ）区域１的光照强度 图４智能照明控制算法流稃网 前 ● ；一 ：● 一 ● ● 一 ● ■ 一 ● 艇 琵 ■ ：● ● ● ■ 后 一 ａ ● 口 一 ａ ● ａ 本地时间 口 （ｂ）区域３的光照强度 节点１’ 节点２ 。节点３ 节点４： 节点５ 罔５教室照明系统的布局 系统考虑自然光的影响，自然光下测量的照度结 果如图６所示。为了简化和满足整个教室的最小照度 的要求，这里智能控制算法只考虑教室后方部分的光 羔 越 氍 鐾 照和评估性能，并且不考虑遮阳控制和调光的影响 （设置Ｗ＝０并且Ｄ＝１）。如图５所示，教室被分成５ 个区域，并对它们在自然光下的照度进行比较。根据 测量结果，由于区域５最靠近窗，所以它的自然光照强 本地时间 度最高，其光照强度一直超过５００ ｌｘ。因此，控制算法 中区域５的照明电路不需要ＬＥＤ灯光的补充。然而， （ｃ）区域５的光照强度 图７不同区域的光照强度对比 ・９６・ 图７（ａ）展示了区域１的光照情况。实验发现，区 《测控技术￣２０１７年第３６卷第７期 导致系统错过关闭灯而不能达到降低能耗，也可能导 致漏掉打开灯的操作而不能达到教室需要的最低照度 域１相对于其他区域，距离窗最远，自然光对照度的提 升影响不大，智能控制下的光照结果接近于ＬＥＤ全 开。因此，几乎所有测量时间下，ＬＥＤ应该打开。智 能控制算法中，区域３的情况和区域１差不多，只是有 时部分ＬＥＤ需要打开。区域５最靠近窗，所以自然光 对照度的补给超过其他区域，几乎很少要打开ＬＥＤ来 ５００ ｌｘ。可见，构建一个可靠的数据采集和通信网络对 于节省能耗极其重要，而本文提出的基于ＷＳＮｓ和 ＰＬＣｓ的控制方案正好满足要求。 ３系统原型实现 为了说明上文中提到的智慧教室控制网络的有效 性，本文构建了一个教室系统原型。该原型南３组 补充照度。为了展示使用智能控制算法能节约多少能 耗，统计了教室的照明总能耗，如图８所示。 ＬＥＤ电路、一个ＰＬ３１２０ ＺｉｇＢｅｅ协调器、一个ＰＬＣ／［Ｐ 至 ＼ 攫 图８教室照明总能耗 ＬＥＤ全开与智能照明控制算法的功耗差异结果 表明，采用本文提出的智能照明控制算法有利于节省 照明功耗。然而，算法的性能表现与最优解的曲线几 乎重合，表明提出的即发式算法是近似最优解。 系统经过晴天和阴天的对比试验发现，智能照明 控制算法能够节省能耗４０％左右。图７和图８的模 拟都是在丢包率为０的情况下提出的，然而包传输错 误和丢失在实际环境中很常见。为了抵消丢包问题的 影响，智能控制算法设计如下。每当出现丢包的情况， 算法设计成必须等待新的数据被所有节点正确收到， 才能做出决定，否则灯的状态不发生变化。为了研究 丢包对算法性能的影响，比较并分析区域３在丢包率 Ｐ，为１５％和０下的照度值，如图９所示。 Ｐｆ＝一 传输数据包的总数…～ ；２｝ｌ｝委 × ００％ ｃ２ 图９的模拟结果表明，ＷＳＮｓ中包的丢失很可能 蔓 ＼ 骥 蘸 图９丢包率对智能照明控制性能的影响 网关和ＺｉｇＢｅｅ传感网络（包含若干ＺｉｇＢｅｅ传感节点） 组成，它们的总功耗小于ｌ６ ｗ。为了验证原型系统的 通信性能，３个均匀分布在教室中的节点每３ Ｓ发送一 个包，包的负载包括序列号和光照信息。数据包由传 感器节点传输至ＷＳＮｓ的协调器，通过电力线最终到 达管理站点。为了测量端到端的延时，首先通过网络 时间协议（ＮＴＰ）对ＰＣ机和管理站点的时问进行同 步，让其中一个终端节点通过ＵＳＢ连接ＰＣ机记录包 的发送时间，其他两个节点用作影响通信量，最终记录 管理站点到达时间。表１为测量结果，丢包率为 ０．７％，平均端到端延时大约为７３ ｍｓ。数据包比较短 并且网络传输延时常常少于１ ｐ，ｓ，包的延时主要来源 于ＷＳＮｓ中ＭＡＣ协议和ＰＬＣ。 表１通信性能 ４ 结束语 本文设计了一个新型的智慧教室控制网络和一种 智能照明控制算法。采用ＰＬＣｓ作为网络的主干网， ＷＳＮｓ用于收集感知数据。网络的架构充分发挥了 ＷＳＮｓ和ＰＬＣｓ网络的优势，简化了ＺｉｇＢｅｅ ＷＳＮｓ中的 中继节点问题，并极大地降低了无线干扰对系统信息 传输的影响。同时，系统的高可伸缩性使得系统也能 应用于其他智能控制领域。此外，实现了基于智能照 明控制算法的系统原型。模拟和实验结果表明，系统 能够正常工作，降低数据包的丢失率同时也节省了能 耗。虽然本实验的结果仅仅说明在照明方面节省能耗 可行，但是其他教室设备的控制如空调、风扇、投影仪 等都能有效节省更多能耗，这一点将在后续工作巾体现。 参考文献： ［１］ Ｍｉｓｓａｏｕｉ Ｒ，Ｊｏｕｍａａ Ｈ，Ｐｌｏｉｘ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｍａｎａｇｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｓｎｌａｒｔ ｈｏｍｅｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｉｃｅｓ：ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｅｎｅｒ— ｇＹ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２０１４，７１． （下转第１００页） 《测控技术｝２０１７年第３６卷第７期 象、仪器仪表没箭 底部为生产流程中所涉及的重 供统一的人机界面，有利ｌ丁远程监控，还可以对各监控 对象进行伞天候、全方位监控，及时发现甚至提前预测 要的Ｉ 业生产实 参数 ………茁 ……一 ；…一 ： 藕 … 设备问题，保证企业生产安全，而且具有Ｗｅｂ功能的 ＳＣＡＤＡ系统能被更多的管理系统、控制系统和使用者 所访问，实现了资源共享，提高了企业的劳动生产率， 加强了企业竞争力。 参考文献： ［１］ 丁律，颜文旭．远程监控技术及 应用发腮［Ｊ］．化㈠ Ｉ动 化及仪表，２０１６，４３（６）：５６３—５６８． ［２］ Ｉｉ振【 ＳＣＡＩ）Ａ（监控 ＿ｊ数据采集）软件系统的ｉ殳汁 １： 发［Ｍ］．北京：机械Ｔ业ｆ｛Ｉ版｝１ ，２００９：２１９—２３２． 冬Ｉ ４ Ｉ、交互过程 ［３］ 畅 林．基于Ｊａｖａ Ｗｅｂ的学 成绩信息管理系统［Ｄ］．Ｋ 奋：ｆ 林大学，２０１５：７—１３． ［４］ 梁｝火林． 足鼎 各领风骚——动态网页技术ＡＳｆ 、 ＰＨＩ’、ＪＳＰ浅析［Ｊ］．科技信息（学术版），２００７（２４）． ［５］ 拿 ．浅析Ｂ／Ｓ和Ｃ／Ｓ体系结构［Ｊ］．科学之友，２０１１ （１）：６—８． 『６ １ Ｓａｌｉｈｂｅｇｏｖｉｃ Ａ，Ｍａｒｉｎｋｏｖｉｅ Ｖ，Ｃｉｃ Ｏ ｚ，ｅｔ ａ１．Ｗｅ１）ｂａｓｅｄ ｎｌｕｌ— ｔｉｌａ＞ｅｌ’ｅｌ，ｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＳＣＡＩ），＆＇ＨＭＩ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｒｅｆｉｎｍＴ ａｐｐｌｉ— ，ｌ．ａｔｉ，ｌｍ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅ ｚ’Ｓｔａｎｌ，ｔａｒｄｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２００９，３１（３）． ［７］ 骆东松，王毅．供热锅炉的现场数据Ｗｅｂ发布系统［Ｊ］． 外【乜子测量技术，２０１５，３４（３）：３７—４１． ［８］ 黄德允，王京春，金以慧．过程控制系统［Ｍ］，北京：清华 大 …版社，２０１ １：４４２—４４５． ‘Ｊ】５ 制铁集…烧结Ｉ，）‘ 城 Ｊ ：过程参数的Ｊａ、 ａ Ｗｅｂ 问系统 ［９ Ｊ 锦标，计算机控制系统［Ｍ１．北京：清华大学…版 ， ２００８：１９１—１９６． ４ 结束语 丁Ｊａｖａ ｅｌ，的ｅｌｉ Ｊ ：数据访问系统向 动化运 行维护人员、公 决策 提供了一个更加方便、经济、 怏捷的数据访Ｍ力‘ ，改变ｒ传统的监控模 、利用 ［１０］ ｒｌ，ｌｒ，ｌ＇ ｒ Ｕｓｉｎｇ ＷＥＢ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ＳＣＡＤＡ ａｐｐｌｉｅａｌｉ，ｌｍｓ［Ｊ ｊ． Ｐｌ‘（）【’Ｐ（１ｉａ Ｔｅｃｈｎｏｌｌ，）ｇｙ．２０１５．１９：５８４—５９０． ［１ １］ 冯振兴。Ａｊａｘ技术存Ｗｅｂ系统中的应用研究［１）］．北 京：北京林业大学，２００８：６—２８． ｆ １２］ 孙利．Ｊａｖａ Ｗｅｂ案例教 ［Ｍｊ．北京：电子Ｔ、ｆ ｝｝Ｉ版社． ２０１５：３６—３８． Ｊａｖａ Ｗｅｂ技术的优辨，｝ｌ ｗ ｂ技术与传统的＿Ｉ 业监控 系统ｆＩＩ结合变僻更ｌＪＪＩＪ容 随着网络技术的 速发展 ［１３］ ｉｉ～１－，ｌ￣．．－峰．ＪＳＰ Ｗｅｂ应用 发［Ｍ］．北京：清华大学ｆＩｌ版 衬：，２０１５：３５５—３６２． 干ｎ 、Ｉｋ信息化的拊进，构 于Ｗｅｂ的Ｔ、Ｉｋ信息监控 系统址＿厂业蛎控领域发 的方向之一。这不仪ｌＪ『以提 口 （上接第９６页） ２ Ｍｏｌｉｕ）ｌ’Ｃ，Ｂｅｎｉｇｎｉ ．１ｌＩｈ，Ｉｍ（ ｌ，ｌａｇ Ａ，ｅＩ ａ１．Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉ￣、Ｓ ｔｅｓｔ ｆ¨．１ＥＥＥ Ｔｌ・ａｎｓａｃｌｉｏ！ｉｓ ｏｎ Ｉｎｌ，ｈ￣ｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｅｎ－ｏｎｉ，ｌ ２０１０．５７ （１ １）：３５７７—３５８４． ｉ Ｊ，Ａｎｄｒｅｗ Ｌ Ｉ Ｈ，Ｆｌ，）ｈ Ｃ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｍｍｅｔｉｖｉｌｙ，ｅｏｖｅｒａｇ（ ［７］ １ｌ｝Ｉ－，Ｉｔ ｆｏｒ ｒｅｎｅｗａ１）ｈ ｌ，＇ｌｌ（ｆｌｇＹ ｓｙｓｔｅｎＩＳ ｉｎ ｓｌｌｌａｒｔ ｈｏｎｌｅｓ ｌＪ Ｊ．ＩＥＥＥ ｒｒａｌｌｓａ（・Ｉｉｏｎｓ【ｌｌ１ １ｎｄｕｓｈ‘ｉａｌ Ｅｌｅｌ，！ｔ￣ｏｎｉ，ｌ：ｓ．２０１３，６０（３）． ａｌｌ（１ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｌ，）ｒｋｓ【Ｊ．Ｓｅｎｓｌ，）ｒｓ． ３： 徐 波，鲍・ ｊ进 能 ｆｉ￣－Ｊ（Ｊ电系统的研究 Ｊ没汁［Ｊ］．计 钟：机１ ｆ Ｊｊ Ｊ，２０１ ｌ，４７（６）：５５—５７． ２００９，９（１０）：７６６４—７６９３． 杨国华，周世文，等．琏ｒ Ｚｉｇｂｅｅ干¨ＧＰＲＳ的交叉 ［８］ 陈琳，结构路灯监控系统［Ｊ］．电源技术，２０１５，３７（２）． ［９］ 陆彩霞．摹于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的 能家居照明 能控制系 统研究与实现［Ｊ ．微电子学‘ 汁算机，２０１６，４２（１０）：１３９ 一４ 佩繁，黎忠 ，陈 ， ．教事灯光智能控制系统的设 ｆＩ‘『Ｊ ．｝Ｕ ｉ＂－｝１１ 技术，２０１４，３７（９）：８３—８７． ：５ 陈海松．堪ｒ Ｚｉｇ１）ｅ（－技术的智能教室没备挖制系统设汁 ㈡］． 子技术．２０１３．５０【８）：５５—５７． 【６ １）ｉｅｔｒｈ・ｌＩ Ｄ，Ｂｔ ｔｌｅｋｌ／ｅｌ １）， （’ｋｅｒ Ｇ，ｅｔ ａ１．ＣｏｎＩｎＩＵＩｉｆｃａｔｉ（Ｉｎ ａｎｌ，ｔ （・（ｎｎｐｔ］ｔａｔｉ（ＩｌＩ ｉＩＩ ｈＩｌｉｈｌｉｎｇｓ．ａ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏ）１ ａｌｌ（｛ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｌ４２． ｌＦ ［１０］ 黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，等．智慧教室的概念及特ｆ［Ｊ］．ＪＦ放教育研究，２０１２，ｌ７（２）：２２—２７． 口
