1 引言
隨著我國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)能減排成為了社會的焦點。據(jù)統(tǒng)計，我國能源供求緊張主要表現(xiàn)在電力上，而我國電能總消耗量的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)代社會發(fā)展的必然趨勢，目前，已經(jīng)有許多學者對智能照明控制系統(tǒng)進行了較為深入的研究，已提出的智能照明控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的主要控制功能有：場景控制、恒照度控制、定時控制、就地手動控制、群組組合控制、應(yīng)急處理、遠程控制、圖示化監(jiān)控、日程計劃安排等。
每種控制功能都有相應(yīng)的控制策略。景春國等研究了異常天氣時按日出日落時間控制路燈時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)的城市路燈自動控制策略，該策略通過控制照明光源在合適的時間內(nèi)開啟與關(guān)閉達到節(jié)能的目的，但沒有考慮到整個照明過程中照明光源的光照度不合適也會導致能源浪費的問題；王金光等以“綠色照明”為出發(fā)點，提出了一個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對象，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，自動控制燈具調(diào)光輸出和遮陽設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)工作區(qū)域恒照度的目標，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；劉曉勝等對城市道路照明進行了研究，提出了一種場景照明控制策略，并將其實現(xiàn)，該策略通過場景控制達到提高照明質(zhì)量和節(jié)約電能的雙重效果，但沒有考慮到故障報警的問題，影響了整個系統(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的控制電路實現(xiàn)了節(jié)能，但缺乏對控制策略的研究。
綜合考慮整個照明控制系統(tǒng)的控制功能，通過異常天氣情況下能夠及時無誤地開、關(guān)燈以及場景照明的實現(xiàn)，達到綠色照明、節(jié)能照明的目的。本文以LED 燈為被控對象，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。該策略實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率，最終實現(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)元芯片強大的控制和通信能力等特點，并且是在基于LonWorks總線技術(shù)的照明控制系統(tǒng)中得以實現(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、下位機和路由器。在上位機上，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，各功能模塊所要實現(xiàn)的功能通過監(jiān)控界面顯示給管理員及用戶，為系統(tǒng)的遠程監(jiān)控提供基礎(chǔ)；在下位機上，借助節(jié)點開發(fā)工具Node Builder，完成智能節(jié)點的開發(fā)，進行被控對象LED 燈及光照度傳感器LonWorks與網(wǎng)絡(luò)（LON）的連接；上位機所屬的LAN采用的是TCP/IP協(xié)議，下位機所屬的LON采用的是LonTalk協(xié)議，為了實現(xiàn)智能節(jié)點上的LED燈的控制參數(shù)值與各功能模塊對應(yīng)參數(shù)值之間的交換，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制，因而必須進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，路由器完成了LonTalk與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了LON與LAN的集成。整個控制系統(tǒng)的框架如圖１所示。
3 照明控制策略設(shè)計與實現(xiàn)
照明控制策略的設(shè)計思路是：首先判斷當日是否是節(jié)假日或是否是被設(shè)定的需要場景照明的日子，若是則調(diào)用場景照明模塊；若不是判斷當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間表開燈。設(shè)計思路流程如圖2所示。場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、色彩以及不同場合開關(guān)時間是根據(jù)具體情況進行設(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值；時間表是參照不同季節(jié)當?shù)厝粘龊腿章鋾r間進行的設(shè)計；各個模塊中都設(shè)有故障報警和調(diào)用省電模式模塊的功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，管理員將在第一時間內(nèi)了解情況，近午夜時分，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)和實時的天氣情況設(shè)置關(guān)燈時間；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。
圖2 設(shè)計流程圖
異常天氣的判斷需要將外界環(huán)境的光照度值與開、關(guān)燈時需要的光照度設(shè)定值進行比較，外界環(huán)境光照度的不穩(wěn)定，會引起在不合適的時間點開、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、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)計原理
模糊控制模型的核心是模糊推理，而模糊推理的實質(zhì)是一個輸入為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)信號給采集外界自然光傳感器的控制開關(guān)，停止對外界自然光進行采集，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的基本論域為[0.500]，語言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB]；ec的基本論域為[-25,25]，語言變量EC的論域B=[NB,NS,Z,PS,PB]；輸出函數(shù)eo的基本論域為[-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)時間減少，能夠更快地達到平衡，整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
4 智能節(jié)點開發(fā)過程
智能節(jié)點是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)，進而對被控對象LED燈進行控制，本文借助節(jié)點開發(fā)工具Node Builder對智能節(jié)點進行開發(fā)，開發(fā)過程為：利用Neuron C（一種以ANSI C為基礎(chǔ)的擴展Ｃ語言）編寫相應(yīng)的控制程序，并將其存儲在神經(jīng)元芯片的程序存儲器中；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)λM行處理，得到PWM 信號，經(jīng)過I/O接口輸出，將PWM 信號通過驅(qū)動電路作用到LED光源上，根據(jù)LED實際的亮度與當時當?shù)豅ED應(yīng)該具有亮度設(shè)定值之間的差值，調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比，實現(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同時輸出開關(guān)信號，控制LED光源的開啟與關(guān)閉；用雙絞線收發(fā)器實現(xiàn)了智能節(jié)點與LonWorks網(wǎng)絡(luò)的連接。智能節(jié)點的開發(fā)過程如圖7所示。
通過智能節(jié)點的開發(fā)，實現(xiàn)了對被控對象LED的直接控制和對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
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、提高管理效率，本文借助了LonMark組網(wǎng)界面進行網(wǎng)絡(luò)的集成。
整個過程為：LonWorks網(wǎng)絡(luò)中所有智能節(jié)點的地位是同等的，當神經(jīng)元芯片的服務(wù)腳處于工作狀態(tài)時，LonMark組網(wǎng)界面中的智能節(jié)點被激活，它們按照LonTalk協(xié)議可以實現(xiàn)點對點的數(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，實現(xiàn)了LON 與LAN 之間的網(wǎng)絡(luò)集成，LED燈的實時狀態(tài)值通過數(shù)據(jù)交換服務(wù)器（Lon DDEserver）可以實現(xiàn)與各功能模塊中相應(yīng)的控制變量進行交換。整個網(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)場實現(xiàn)，LED燈的控制變量的實時情況將通過監(jiān)控界面顯示給管理人員，同時管理人員可以通過在上位機上修改各功能模塊的控制變量，間接控制LED燈，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(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、場景照明不夠靈活而帶來能源浪費的問題，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)計各功能模塊以及監(jiān)控界面，為照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)場景照明和遠程監(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)定而引起的在不準確時間開關(guān)燈的問題；利用節(jié)點開發(fā)工具Node Builder，對智能節(jié)點進行開發(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)進行轉(zhuǎn)換的問題。該策略實現(xiàn)了照明控制系統(tǒng)的模塊化控制和遠程監(jiān)控，在提高照明質(zhì)量和管理效率的同時達到了節(jié)能效果。