基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

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(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)現(xiàn)綠色照明、節(jié)能照明。

綠色照明、節(jié)能照明是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然趨勢，目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對智能照明控制系統(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;劉曉勝等對城市道路照明進(jìn)行了研究，提出了一種場景照明控制策略，并將其實(shí)現(xiàn)，該策略通過場景控制達(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)定的需要場景照明的日子，若是則調(diào)用場景照明模塊;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(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。

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、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(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。

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