基于LonWorks的LED节能照明控制策略的研究

引言

随着我国城市化水平的不断提高，能源短缺及环境问题日益突出，节能减排成为了社会的焦点。据统计，我国能源供求紧张主要表现在电力上，而我国电能总消耗量的1/6用于照明。

智能化照明控制系统，能够提高系统的管理效率，实现绿色照明、节能照明。

绿色照明、节能照明是现代社会发展的必然趋势，目前，已经有许多学者对智能照明控制系统进行了较为深入的研究，已提出的智能照明控制系统中实现的主要控制功能有：场景控制、恒照度控制、定时控制、就地手动控制、群组组合控制、应急处理、远程控制、图示化监控、日程计划安排等。

每种控制功能都有相应的控制策略。景春国等研究了异常天气时按日出日落时间控制路灯时所存在的路灯不能提前打开和延迟关闭的问题，提出了采用SCADA系统的城市路灯自动控制策略，该策略通过控制照明光源在合适的时间内开启与关闭达到节能的目的，但没有考虑到整个照明过程中照明光源的光照度不合适也会导致能源浪费的问题;王金光等以“绿色照明”为出发点，提出了一个天然采光和人工照明相结合的智能策略，选择一间典型的办公室为试验对象，用BP神经网络建立模型，根据室内天然光的照度水平，自动控制灯具调光输出和遮阳设备状态，实现工作区域恒照度的目标，该策略适用于室内照明，而室外照明需要考虑更多的不稳定因素;刘晓胜等对城市道路照明进行了研究，提出了一种场景照明控制策略，并将其实现，该策略通过场景控制达到提高照明质量和节约电能的双重效果，但没有考虑到故障报警的问题，影响了整个系统的智能化程度;陈鸣等研究了绿色照明光源LED的控制策略，主要讨论了几种LED控制方式，分析了相应电路的工作原理，找出比较节电的控制方式，着重指出适合太阳能LED 照明系统的控制方式，该策略通过合理的LED的控制电路实现了节能，但缺乏对控制策略的研究。

综合考虑整个照明控制系统的控制功能，通过异常天气情况下能够及时无误地开、关灯以及场景照明的实现，达到绿色照明、节能照明的目的。本文以LED 灯为被控对象，借助组态王软件，结合模糊理论，提出了一种基于LonWorks总线技术的LED照明控制策略。该策略实现了照明系统的模块化控制和远程监控，提高了照明系统的管理效率，最终实现了绿色照明、节能照明。

2　基于LonWorks的照明控制系统

本文所提出的基于LonWorks总线技术的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks总线技术的介质多样性、通信协议开放性、核心器件神经元芯片强大的控制和通信能力等特点，并且是在基于LonWorks总线技术的照明控制系统中得以实现的。

基于LonWorks总线技术的照明控制系统主要由3部分组成：上位机、下位机和路由器。在上位机上，借助组态王软件，完成各功能模块(照明控制策略)以及监控界面的设计，各功能模块所要实现的功能通过监控界面显示给管理员及用户，为系统的远程监控提供基础;在下位机上，借助节点开发工具Node Builder，完成智能节点的开发，进行被控对象LED 灯及光照度传感器LonWorks与网络(LON)的连接;上位机所属的LAN采用的是TCP/IP协议，下位机所属的LON采用的是LonTalk协议，为了实现智能节点上的LED灯的控制参数值与各功能模块对应参数值之间的交换，实现系统的远程控制，因而必须进行协议转换，路由器完成了LonTalk与TCP/IP协议之间的转换，实现了LON与LAN的集成。整个控制系统的框架如图1所示。

 

 

3　照明控制策略设计与实现

照明控制策略的设计思路是：首先判断当日是否是节假日或是否是被设定的需要场景照明的日子，若是则调用场景照明模块;若不是判断当日的天气是否属于异常天气，若是就调用异常天气照明模块;若不是则按照正常时间表开灯。设计思路流程如图2所示。场景照明模块具有综合性和灵活性，不同路段灯的控制变量是不同的，灯的具体亮暗度、色彩以及不同场合开关时间是根据具体情况进行设定的;异常天气模块中引入了模糊控制理论，将开灯所要求的光照度设为范围域而不是具体的点值;时间表是参照不同季节当地日出和日落时间进行的设计;各个模块中都设有故障报警和调用省电模式模块的功能，一旦系统出现故障，管理员将在第一时间内了解情况，近午夜时分，人流量变小，切换为省电模式，并在省电模式模块里按照相应季节和实时的天气情况设置关灯时间;该策略借助组态王软件，完成了各功能模块程序代码的编写。

 

图2　设计流程图

异常天气的判断需要将外界环境的光照度值与开、关灯时需要的光照度设定值进行比较，外界环境光照度的不稳定，会引起在不合适的时间点开、关灯。模糊理论的描述是建立在自然语言的基础上，所使用的规则更接近人们的思维习惯，模糊推理过程是采用模糊逻辑由给定输入映射到输出的过程，不需要精确的模型。在异常天气的情况下，为了能够及时、无误地控制灯的开与关，本文根据模糊控制理论来建立异常天气模块的控制模型。

3.1　模糊控制模型的设计原理

模糊控制模型的核心是模糊推理，而模糊推理的实质是一个输入为e和ec、输出为Eo的控制模型。异常天气模块的设计原理是：将外界环境的光照度与开灯所需要的光照度设定值进行比较，将得到的差值e及差值变化率ec作为模糊推理部分的输入量，通过模糊规则表进行模糊化，得到输出量Eo;将Eo直接作用在LED灯上，如果Eo在允许开灯的阈值内，则发出开灯信号给LED灯，LED灯开启，否则，LED灯仍然处于关闭状态;如果LED灯开启后则发信号给采集外界自然光传感器的控制开关，停止对外界自然光进行采集，停止比较，否则，继续采集外界自然光，继续比较，直至LED灯开启为止。

模糊控制原理如图3所示。

 

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3.2　模糊推理

照度偏差函数E：

 

 

式中：θt(k)为外界环境的实际光照度;θ(k)为设定的光照度值。

照度偏差变化率函数EC：

 

 

式中：T为采样周期。

e的基本论域为[0.500]，语言变量E的论域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本论域为[-25,25]，语言变量EC的论域B=[NB,NS,Z,PS,PB];输出函数eo的基本论域为[-1,1]，语言变量Eo的论域Z=[N,Z,P]。输入、输出变量的隶属度函数均采用三角形，图4所示为E，EC，Eo的隶属度函数表。对于两输入单输出的模糊控制模型而言，控制规则可以写成：

 

 

模糊控制规则表如表1所示，模糊控制的空间分布如图5所示。

 

 

 

 

 

 

3.3　仿真

以阶跃输入验证该系统的稳定性，仿真结果如图6所示，图6中曲线1，2分别为未加模糊控制、加模糊控制的响应曲线。图6表明，加模糊控制后调节时间减少，能够更快地达到平衡，整个系统性能稳定。

 

 

4　智能节点开发过程

智能节点是LonWorks网络最基本的控制单元，上接LonWorks网络，下接光照度传感器和LED灯(执行器)。为了获得以及处理光照度传感器采集到的数据，进而对被控对象LED灯进行控制，本文借助节点开发工具Node Builder对智能节点进行开发，开发过程为：利用Neuron C(一种以ANSI C为基础的扩展C语言)编写相应的控制程序，并将其存储在神经元芯片的程序存储器中;将光照传感器采集到的光照度作为输入量，通过I/O接口，传输给神经元芯片，调用存贮在芯片内部的相应程序对它进行处理，得到PWM 信号，经过I/O接口输出，将PWM 信号通过驱动电路作用到LED光源上，根据LED实际的亮度与当时当地LED应该具有亮度设定值之间的差值，调节PWM 信号的占空比，实现光源亮度的控制与调节，保证LED灯的光照度符合路人视觉要求;I/O同时输出开关信号，控制LED光源的开启与关闭;用双绞线收发器实现了智能节点与LonWorks网络的连接。智能节点的开发过程如图7所示。

 

 

通过智能节点的开发，实现了对被控对象LED的直接控制和对LED灯光照度的调节，为路人提供了一种舒适的照明光照度。

5　网络集成过程

为了实现系统的远程监控、提高管理效率，本文借助了LonMark组网界面进行网络的集成。

整个过程为：LonWorks网络中所有智能节点的地位是同等的，当神经元芯片的服务脚处于工作状态时，LonMark组网界面中的智能节点被激活，它们按照LonTalk协议可以实现点对点的数据传输，用户通过LonMark中的Brower可以浏览到以列表形式存在的各智能节点状态值;借助路由器完成LonTalk与TCP/IP之间的协议转换，实现了LON 与LAN 之间的网络集成，LED灯的实时状态值通过数据交换服务器(Lon DDEserver)可以实现与各功能模块中相应的控制变量进行交换。整个网络集成过程如图8所示。通过网络的集成，各功能模块的功能可以通过LED灯现场实现，LED灯的控制变量的实时情况将通过监控界面显示给管理人员，同时管理人员可以通过在上位机上修改各功能模块的控制变量，间接控制LED灯，实现系统的远程监控。

 

 

6　结论

综合考虑了以往照明控制策略中由于开关灯不及时、场景照明不够灵活而带来能源浪费的问题，提出了一种基于LonWorks总线技术的LED照明控制策略。该策略借助组态王软件，设计各功能模块以及监控界面，为照明控制系统实现场景照明和远程监控提供基础，并在异常天气模块中引入模糊控制理论，有效地解决了由于外界光照度不稳定而引起的在不准确时间开关灯的问题;利用节点开发工具Node Builder，对智能节点进行开发，解决了光照度传感器和LED 灯到LON 的连接问题;在LonMark 界面内，进行LON与LAN的网络集成，解决了LED灯的控制参数与各控制模块中相应的控制参数进行转换的问题。该策略实现了照明控制系统的模块化控制和远程监控，在提高照明质量和管理效率的同时达到了节能效果。

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