基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

引言

隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高，能源短缺及環(huán)境問題日益突出，節(jié)能減排成為了社會(huì)的焦點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)能源供求緊張主要表現(xiàn)在電力上，而我國(guó)電能總消耗量的1/6用于照明。

智能化照明控制系統(tǒng)，能夠提高系統(tǒng)的管理效率，實(shí)現(xiàn)綠色照明、節(jié)能照明。

綠色照明、節(jié)能照明是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究，已提出的智能照明控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的主要控制功能有：場(chǎng)景控制、恒照度控制、定時(shí)控制、就地手動(dòng)控制、群組組合控制、應(yīng)急處理、遠(yuǎn)程控制、圖示化監(jiān)控、日程計(jì)劃安排等。

每種控制功能都有相應(yīng)的控制策略。景春國(guó)等研究了異常天氣時(shí)按日出日落時(shí)間控制路燈時(shí)所存在的路燈不能提前打開和延遲關(guān)閉的問題，提出了采用SCADA系統(tǒng)的城市路燈自動(dòng)控制策略，該策略通過控制照明光源在合適的時(shí)間內(nèi)開啟與關(guān)閉達(dá)到節(jié)能的目的，但沒有考慮到整個(gè)照明過程中照明光源的光照度不合適也會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)的問題;王金光等以“綠色照明”為出發(fā)點(diǎn)，提出了一個(gè)天然采光和人工照明相結(jié)合的智能策略，選擇一間典型的辦公室為試驗(yàn)對(duì)象，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，根據(jù)室內(nèi)天然光的照度水平，自動(dòng)控制燈具調(diào)光輸出和遮陽設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域恒照度的目標(biāo)，該策略適用于室內(nèi)照明，而室外照明需要考慮更多的不穩(wěn)定因素;劉曉勝等對(duì)城市道路照明進(jìn)行了研究，提出了一種場(chǎng)景照明控制策略，并將其實(shí)現(xiàn)，該策略通過場(chǎng)景控制達(dá)到提高照明質(zhì)量和節(jié)約電能的雙重效果，但沒有考慮到故障報(bào)警的問題，影響了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度;陳鳴等研究了綠色照明光源LED的控制策略，主要討論了幾種LED控制方式，分析了相應(yīng)電路的工作原理，找出比較節(jié)電的控制方式，著重指出適合太陽能LED 照明系統(tǒng)的控制方式，該策略通過合理的LED的控制電路實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但缺乏對(duì)控制策略的研究。

綜合考慮整個(gè)照明控制系統(tǒng)的控制功能，通過異常天氣情況下能夠及時(shí)無誤地開、關(guān)燈以及場(chǎng)景照明的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到綠色照明、節(jié)能照明的目的。本文以LED 燈為被控對(duì)象，借助組態(tài)王軟件，結(jié)合模糊理論，提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的LED照明控制策略。該策略實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率，最終實(shí)現(xiàn)了綠色照明、節(jié)能照明。

2　基于LonWorks的照明控制系統(tǒng)

本文所提出的基于LonWorks總線技術(shù)的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks總線技術(shù)的介質(zhì)多樣性、通信協(xié)議開放性、核心器件神經(jīng)元芯片強(qiáng)大的控制和通信能力等特點(diǎn)，并且是在基于LonWorks總線技術(shù)的照明控制系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)的。

基于LonWorks總線技術(shù)的照明控制系統(tǒng)主要由3部分組成：上位機(jī)、下位機(jī)和路由器。在上位機(jī)上，借助組態(tài)王軟件，完成各功能模塊(照明控制策略)以及監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，各功能模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能通過監(jiān)控界面顯示給管理員及用戶，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ);在下位機(jī)上，借助節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具Node Builder，完成智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)，進(jìn)行被控對(duì)象LED 燈及光照度傳感器LonWorks與網(wǎng)絡(luò)(LON)的連接;上位機(jī)所屬的LAN采用的是TCP/IP協(xié)議，下位機(jī)所屬的LON采用的是LonTalk協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)上的LED燈的控制參數(shù)值與各功能模塊對(duì)應(yīng)參數(shù)值之間的交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，因而必須進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，路由器完成了LonTalk與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了LON與LAN的集成。整個(gè)控制系統(tǒng)的框架如圖1所示。

3　照明控制策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

照明控制策略的設(shè)計(jì)思路是：首先判斷當(dāng)日是否是節(jié)假日或是否是被設(shè)定的需要場(chǎng)景照明的日子，若是則調(diào)用場(chǎng)景照明模塊;若不是判斷當(dāng)日的天氣是否屬于異常天氣，若是就調(diào)用異常天氣照明模塊;若不是則按照正常時(shí)間表開燈。設(shè)計(jì)思路流程如圖2所示。場(chǎng)景照明模塊具有綜合性和靈活性，不同路段燈的控制變量是不同的，燈的具體亮暗度、色彩以及不同場(chǎng)合開關(guān)時(shí)間是根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定的;異常天氣模塊中引入了模糊控制理論，將開燈所要求的光照度設(shè)為范圍域而不是具體的點(diǎn)值;時(shí)間表是參照不同季節(jié)當(dāng)?shù)厝粘龊腿章鋾r(shí)間進(jìn)行的設(shè)計(jì);各個(gè)模塊中都設(shè)有故障報(bào)警和調(diào)用省電模式模塊的功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，管理員將在第一時(shí)間內(nèi)了解情況，近午夜時(shí)分，人流量變小，切換為省電模式，并在省電模式模塊里按照相應(yīng)季節(jié)和實(shí)時(shí)的天氣情況設(shè)置關(guān)燈時(shí)間;該策略借助組態(tài)王軟件，完成了各功能模塊程序代碼的編寫。

異常天氣的判斷需要將外界環(huán)境的光照度值與開、關(guān)燈時(shí)需要的光照度設(shè)定值進(jìn)行比較，外界環(huán)境光照度的不穩(wěn)定，會(huì)引起在不合適的時(shí)間點(diǎn)開、關(guān)燈。模糊理論的描述是建立在自然語言的基礎(chǔ)上，所使用的規(guī)則更接近人們的思維習(xí)慣，模糊推理過程是采用模糊邏輯由給定輸入映射到輸出的過程，不需要精確的模型。在異常天氣的情況下，為了能夠及時(shí)、無誤地控制燈的開與關(guān)，本文根據(jù)模糊控制理論來建立異常天氣模塊的控制模型。

3.1　模糊控制模型的設(shè)計(jì)原理

模糊控制模型的核心是模糊推理，而模糊推理的實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸入為e和ec、輸出為Eo的控制模型。異常天氣模塊的設(shè)計(jì)原理是：將外界環(huán)境的光照度與開燈所需要的光照度設(shè)定值進(jìn)行比較，將得到的差值e及差值變化率ec作為模糊推理部分的輸入量，通過模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊化，得到輸出量Eo;將Eo直接作用在LED燈上，如果Eo在允許開燈的閾值內(nèi)，則發(fā)出開燈信號(hào)給LED燈，LED燈開啟，否則，LED燈仍然處于關(guān)閉狀態(tài);如果LED燈開啟后則發(fā)信號(hào)給采集外界自然光傳感器的控制開關(guān)，停止對(duì)外界自然光進(jìn)行采集，停止比較，否則，繼續(xù)采集外界自然光，繼續(xù)比較，直至LED燈開啟為止。

模糊控制原理如圖3所示。

3.2　模糊推理

照度偏差函數(shù)E：

式中：θt(k)為外界環(huán)境的實(shí)際光照度;θ(k)為設(shè)定的光照度值。

照度偏差變化率函數(shù)EC：

式中：T為采樣周期。

e的基本論域?yàn)閇0.500]，語言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本論域?yàn)閇-25,25]，語言變量EC的論域B=[NB,NS,Z,PS,PB];輸出函數(shù)eo的基本論域?yàn)閇-1,1]，語言變量Eo的論域Z=[N,Z,P]。輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形，圖4所示為E，EC，Eo的隸屬度函數(shù)表。對(duì)于兩輸入單輸出的模糊控制模型而言，控制規(guī)則可以寫成：

模糊控制規(guī)則表如表1所示，模糊控制的空間分布如圖5所示。

3.3　仿真

以階躍輸入驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果如圖6所示，圖6中曲線1，2分別為未加模糊控制、加模糊控制的響應(yīng)曲線。圖6表明，加模糊控制后調(diào)節(jié)時(shí)間減少，能夠更快地達(dá)到平衡，整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

4　智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)過程

智能節(jié)點(diǎn)是LonWorks網(wǎng)絡(luò)最基本的控制單元，上接LonWorks網(wǎng)絡(luò)，下接光照度傳感器和LED燈(執(zhí)行器)。為了獲得以及處理光照度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象LED燈進(jìn)行控制，本文借助節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具Node Builder對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)過程為：利用Neuron C(一種以ANSI C為基礎(chǔ)的擴(kuò)展C語言)編寫相應(yīng)的控制程序，并將其存儲(chǔ)在神經(jīng)元芯片的程序存儲(chǔ)器中;將光照傳感器采集到的光照度作為輸入量，通過I/O接口，傳輸給神經(jīng)元芯片，調(diào)用存貯在芯片內(nèi)部的相應(yīng)程序?qū)λM(jìn)行處理，得到PWM 信號(hào)，經(jīng)過I/O接口輸出，將PWM 信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路作用到LED光源上，根據(jù)LED實(shí)際的亮度與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)豅ED應(yīng)該具有亮度設(shè)定值之間的差值，調(diào)節(jié)PWM 信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)光源亮度的控制與調(diào)節(jié)，保證LED燈的光照度符合路人視覺要求;I/O同時(shí)輸出開關(guān)信號(hào)，控制LED光源的開啟與關(guān)閉;用雙絞線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了智能節(jié)點(diǎn)與LonWorks網(wǎng)絡(luò)的連接。智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)過程如圖7所示。

通過智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象LED的直接控制和對(duì)LED燈光照度的調(diào)節(jié)，為路人提供了一種舒適的照明光照度。

5　網(wǎng)絡(luò)集成過程

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、提高管理效率，本文借助了LonMark組網(wǎng)界面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的集成。

整個(gè)過程為：LonWorks網(wǎng)絡(luò)中所有智能節(jié)點(diǎn)的地位是同等的，當(dāng)神經(jīng)元芯片的服務(wù)腳處于工作狀態(tài)時(shí)，LonMark組網(wǎng)界面中的智能節(jié)點(diǎn)被激活，它們按照LonTalk協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，用戶通過LonMark中的Brower可以瀏覽到以列表形式存在的各智能節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值;借助路由器完成LonTalk與TCP/IP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了LON 與LAN 之間的網(wǎng)絡(luò)集成，LED燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)值通過數(shù)據(jù)交換服務(wù)器(Lon DDEserver)可以實(shí)現(xiàn)與各功能模塊中相應(yīng)的控制變量進(jìn)行交換。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)集成過程如圖8所示。通過網(wǎng)絡(luò)的集成，各功能模塊的功能可以通過LED燈現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，LED燈的控制變量的實(shí)時(shí)情況將通過監(jiān)控界面顯示給管理人員，同時(shí)管理人員可以通過在上位機(jī)上修改各功能模塊的控制變量，間接控制LED燈，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6　結(jié)論

綜合考慮了以往照明控制策略中由于開關(guān)燈不及時(shí)、場(chǎng)景照明不夠靈活而帶來能源浪費(fèi)的問題，提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的LED照明控制策略。該策略借助組態(tài)王軟件，設(shè)計(jì)各功能模塊以及監(jiān)控界面，為照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景照明和遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ)，并在異常天氣模塊中引入模糊控制理論，有效地解決了由于外界光照度不穩(wěn)定而引起的在不準(zhǔn)確時(shí)間開關(guān)燈的問題;利用節(jié)點(diǎn)開發(fā)工具Node Builder，對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)，解決了光照度傳感器和LED 燈到LON 的連接問題;在LonMark 界面內(nèi)，進(jìn)行LON與LAN的網(wǎng)絡(luò)集成，解決了LED燈的控制參數(shù)與各控制模塊中相應(yīng)的控制參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的問題。該策略實(shí)現(xiàn)了照明控制系統(tǒng)的模塊化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，在提高照明質(zhì)量和管理效率的同時(shí)達(dá)到了節(jié)能效果。

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