《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究
摘要: 提高照明系統(tǒng)的管理效率及照明質(zhì)量,能夠滿足在不同場(chǎng)合、不同時(shí)間下人們對(duì)照明效果的要求,實(shí)現(xiàn)綠色照明、節(jié)能照明。借助組態(tài)王軟件,完成各控制模塊以及監(jiān)控界面的設(shè)計(jì),并在異常天氣模塊中引入了模糊控制理論;以LonWorks總線技術(shù)為基礎(chǔ),對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā),并對(duì)智能節(jié)點(diǎn)所屬的LON與上位機(jī)所屬的LAN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成,提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的led節(jié)能照明控制策略。該策略有效地解決了以往照明控制策略中的由于外界光照度不穩(wěn)定引起的在不準(zhǔn)確時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)燈、場(chǎng)景照明不夠靈活等問(wèn)題。滿足了人們對(duì)場(chǎng)景照明的要求,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。
關(guān)鍵詞: LonWorks LED 節(jié)能照明
Abstract:
Key words :

  1 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(wèn)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(kāi)和延遲關(guān)閉的問(wèn)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(guò)控制照明光源在合適的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟與關(guān)閉達(dá)到節(jié)能的目的,但沒(méi)有考慮到整個(gè)照明過(guò)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(wèn)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(yáng)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(guò)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(méi)有考慮到故障報(bào)警的問(wèn)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(yáng)能LED 照明系統(tǒng)的控制方式,該策略通過(guò)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(guò)異常天氣情況下能夠及時(shí)無(wú)誤地開(kāi)、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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)工具Node Builder,完成智能節(jié)點(diǎn)的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(xiě)。

圖2 設(shè)計(jì)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(kāi)、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(kāi)、關(guān)燈。模糊理論的描述是建立在自然語(yǔ)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(guò)程是采用模糊邏輯由給定輸入映射到輸出的過(guò)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(wú)誤地控制燈的開(kāi)與關(guān),本文根據(jù)模糊控制理論來(lái)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(kāi)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(guò)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(kāi)燈的閾值內(nèi),則發(fā)出開(kāi)燈信號(hào)給LED燈,LED燈開(kāi)啟,否則,LED燈仍然處于關(guān)閉狀態(tài);如果LED燈開(kāi)啟后則發(fā)信號(hào)給采集外界自然光傳感器的控制開(kāi)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(kāi)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(yǔ)言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本論域?yàn)閇-25,25],語(yǔ)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(yǔ)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(xiě)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(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)工具Node Builder對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)過(guò)程為:利用Neuron C(一種以ANSI C為基礎(chǔ)的擴(kuò)展C語(yǔ)言)編寫(xiě)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(guò)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(guò)I/O接口輸出,將PWM 信號(hào)通過(guò)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(jué)要求;I/O同時(shí)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào),控制LED光源的開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程如圖7所示。

  通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)的開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程如圖8所示。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的集成,各功能模塊的功能可以通過(guò)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(guò)監(jiān)控界面顯示給管理人員,同時(shí)管理人員可以通過(guò)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(kāi)關(guān)燈不及時(shí)、場(chǎng)景照明不夠靈活而帶來(lái)能源浪費(fèi)的問(wèn)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(kāi)關(guān)燈的問(wèn)題;利用節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具Node Builder,對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā),解決了光照度傳感器和LED 燈到LON 的連接問(wèn)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(wèn)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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