一種新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計方案
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0 引 言
隨著2009 年哥本哈根氣候變化會議的召開,全世界都在提倡更加節(jié)能環(huán)保的生活方式。
抑制碳排放、應(yīng)對氣候變化的重要措施之一就是發(fā)展室內(nèi)照明控制系統(tǒng),提高照明效率。
近年來,國內(nèi)外針對室內(nèi)照明控制系統(tǒng)開展了大量的研究。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)分別被引入室內(nèi)照明控制的研究中,為室內(nèi)照明控制的進(jìn)一步研究提供了良好的思路,但結(jié)合兩者構(gòu)建的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)還并不多見。
本文結(jié)合ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù),設(shè)計了新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)。由于自然光可提供室內(nèi)部分或全部的照明需要,該系統(tǒng)充分利用自然光, 通過對百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的控制,引入自然光作為光源, 人工照明為補充,從而使室內(nèi)照明既可以滿足人們對照明的需要,又可以達(dá)到節(jié)能的目的。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
整個系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個房間都布置有檢測環(huán)境信息的傳感器、自然光控制器和人工照明控制器。通過傳感器采集房間的照度、人員位置等各個環(huán)境信息,并經(jīng)由Zig2Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至基站PC機?;綪C機對相關(guān)信息自動進(jìn)行分析處理,計算房間所需引入自然光量及補充的人工照明量,確定照明模式,并通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出,以控制人工照明控制器和自然光控制器的工作,從而實現(xiàn)室內(nèi)照明的自動控制?;綪C機還可以實時顯示各個設(shè)備的相關(guān)信息,并通過無線通信方式將信息傳輸?shù)接脩羰种校ㄟh(yuǎn)程監(jiān)控中心)。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
在該系統(tǒng)中, ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點分為四類:傳感器節(jié)點、控制器節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點嵌入多種傳感器,用于讀取并傳輸照明控制所需的相關(guān)環(huán)境信息??刂破鞴?jié)點嵌入自然光控制板和人工照明控制板,以控制引入的自然光量和補充的人工照明量;此外,控制器節(jié)點還有中斷響應(yīng)功能,能夠處理用戶的控制指令。路由節(jié)點接收該房間傳感器節(jié)點采集的相關(guān)信息,并將其傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點,再將協(xié)調(diào)器節(jié)點的控制指令傳輸至傳感器節(jié)點和控制器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點與基站PC機通過RS2232串口相連接,用于所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的地址分配和管理,并能夠監(jiān)控各種信息的發(fā)送與接收。
基站負(fù)責(zé)控制整個網(wǎng)絡(luò),既需要完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的采集,又需要完成所采集信息的分析處理及控制輸出,以完成室內(nèi)照明的模糊控制,并達(dá)到節(jié)能的目的。通過PC機軟件用戶界面,顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和各節(jié)點的工作狀況及采集的實時數(shù)據(jù)信息;查詢各個房間的歷史及實時數(shù)據(jù);具有遠(yuǎn)程設(shè)置功能,用戶可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)置某些房間的照明模式,如全開/全關(guān)等;同時還具備設(shè)備管理和用戶管理等功能,軟件可實時更新設(shè)備和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息,具有設(shè)備更新的自適應(yīng)能力,并通過用戶管理保證了系統(tǒng)使用的安全性。
2 Z igBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計是硬件設(shè)計的核心,該系統(tǒng)節(jié)點采用模塊化設(shè)計, 4種節(jié)點采用共同的核心模塊,不同類型節(jié)點配以不同的擴展模塊。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以Freescale公司的MC13192芯片和Philip公司的LPC2138芯片為核心構(gòu)成了核心板。MC13192具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心,能夠幫助降低MCU處理功率,并縮短其執(zhí)行周期。
除了接收、發(fā)送和空閑3 種工作狀態(tài)外,芯片還有3種低功耗運行模式:掉電模式、睡眠模式、休眠模式。其工作頻率是2. 405~2. 480 GHz,并在頻帶內(nèi)劃分16個信道,每個信道占用5 MHz的帶寬,采用直接序列擴頻的通信技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb / s.芯片采用可編程功率輸出模式,發(fā)送功率為0~4 dBm,接收靈敏度可以達(dá)到92 dBm,傳輸距離為30~70 m.LPC2138芯片是支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32 bit ARM 7微控制器。它帶有512 KB嵌入的高速F lash存儲器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM以及多個串行接口, 2個8通道10 bit A /D轉(zhuǎn)換器, 1個D /A轉(zhuǎn)換器和47個GP IO,以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。
LPC2138有兩種低功耗模式:空閑模式和掉電模式。由于具有較小的封裝和極低的功耗,使LPC2138可以理想地與MC13192結(jié)合,作為基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。LPC2138和MC13192通過SP I總線連接。LPC2138通過4線SP I接口對MC13192 的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作,從而完成對MC13192 的控制以及數(shù)據(jù)通信。由傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過8 通道10 bit A/D變換后輸入到L PC2138中, LPC2138將傳感器采集的信號經(jīng)處理后從天線發(fā)射出去。
對傳感器的控制信號可以從天線接收進(jìn)來,經(jīng)過解調(diào)、解擴得到原始的數(shù)據(jù), 再通過SPI傳送到LPC2138 上, 經(jīng)過LPC2138 判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上, 以實現(xiàn)對傳感器的控制。
核心板與各種傳感器相連構(gòu)成傳感器節(jié)點,與自然光控制板和人工照明控制板相連構(gòu)成控制器節(jié)點,擴展串行通信接口后構(gòu)成協(xié)調(diào)器節(jié)點與基站PC機實現(xiàn)通信,擴展供電接口與電源模塊相連。節(jié)點硬件框架如圖2所示。
圖2 Z igBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件框架圖
根據(jù)節(jié)點類型、節(jié)點需要的發(fā)射功率和能耗,電源模塊分為市電、太陽能與電池3種。協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)射功率大, 采用市電供電;控制器節(jié)點與控制板相連,以驅(qū)動相應(yīng)電路進(jìn)行自然光及人工照明控制,因此,控制器節(jié)點可以和控制板同樣采用市電供電;室外傳感器節(jié)點采用太陽能供電;其他節(jié)點采用電池供電[ ] .
3 照明控制設(shè)計
照明控制設(shè)計需要避免眩光,盡可能利用自然光作為光源,以人工照明為補充,滿足室內(nèi)人員的照明需要。為了避免眩光,保護視力,需要確定百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。為了滿足室內(nèi)人員對照明的需要,需要確定百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。通過對兩者進(jìn)行比較,可以確定百葉窗旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)理想旋轉(zhuǎn)角度<最大旋轉(zhuǎn)角度,則把百葉窗旋轉(zhuǎn)到理想角度,人工照明關(guān)閉,反之,如果理想旋轉(zhuǎn)角度>最大旋轉(zhuǎn)角度,則使百葉窗保持在最大旋轉(zhuǎn)角度,不足的照明通過人工照明進(jìn)行補充。其整體思路流程圖如圖3所示。
圖3 照明控制流程圖
3. 1 最大旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)
最大旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)的任務(wù)是得到避免眩光基礎(chǔ)上百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。該子系統(tǒng)選用模糊控制器實現(xiàn), 輸入為室外水平照度、窗戶參數(shù)、太陽高度角和太陽方位角,輸出為百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度。
3. 1. 1 輸入量的獲取
室外水平照度可由傳感器獲得,窗戶參數(shù)由具體房間窗戶相關(guān)信息確定,式(1)和式(2)分別用來計算太陽高度角和太陽方位角。
其中:α為太陽高度角; Az 為太陽方位角; φ為房間的地理緯度;δ為赤緯; ω為時角。以上單位均為度。
在計算太陽高度角和太陽方位角所需的三個值中,房間的地理緯度(φ)可由房間的具體位置確定,赤緯(δ)和時角(ω)則需另外計算得到。
赤緯(δ)表示太陽光線與地球赤道面的夾角,可通過式(3)計算得到。
其中: n為一年中某日的日期序數(shù)。
時角(ω)以當(dāng)?shù)卣嫣枙r正午為0 °,下午為正,上午為負(fù),每小時15°,如表1所示。
表1 時角
3.1.2 模糊控制規(guī)則。
對該系統(tǒng)而言,制定模糊控制規(guī)則的主要依據(jù)是避免眩光,即當(dāng)太陽位置接近于水平其直射,光照影響人們的視力時應(yīng)關(guān)閉百葉窗;當(dāng)只有漫射光時, 對百葉窗的最大旋轉(zhuǎn)角度沒有要求。
3. 2 理想旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)
百葉窗理想旋轉(zhuǎn)角度子系統(tǒng)的任務(wù)是得到在自然光提供的室內(nèi)水平照度滿足用戶需要時百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。由大量實際測量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)可以建立自然光在室外的垂直照度、自然光在室內(nèi)提供的水平照度,以及百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的- 百葉窗旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)模型表。根據(jù)自然光在室外的垂直照度和用戶自定義設(shè)置的室內(nèi)理想水平照度值,通過查詢照度- 百葉窗旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)模型表可以得到百葉窗的理想旋轉(zhuǎn)角度。
在這里不直接應(yīng)用室內(nèi)實際水平照度值, 而是將其用來檢驗并修正模型表,這樣做既可避免閉環(huán)控制的產(chǎn)生,又能夠在傳感器暫時出錯的情況下保持較好的控制。
4 結(jié) 語
本文介紹了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和模糊控制的新型室內(nèi)照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合考慮了室內(nèi)的遮陽系統(tǒng)與照明系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系, 整個系統(tǒng)最大限度地利用了天然光,通過對百葉窗旋轉(zhuǎn)角度的控制,引入自然光作為光源,并以人工照明為補充使室內(nèi)照明滿足用戶的需要。該系統(tǒng)能夠有效地降低照明系統(tǒng)能耗,為人們構(gòu)建節(jié)能、舒適的居住環(huán)境提供了一個有效方案。