基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

高穎，楊建波，王榮

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

高穎，楊建波，王榮

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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。

LED照明；LonWorks總線技術(shù)；模糊控制；照明控制策略

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)［1］。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［2］。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［3-4］。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(wèn)題，提出了采用SCADA系統(tǒng)的城市路燈自動(dòng)控制策略［5］，該策略通過(guò)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(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)［6］，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)［7］，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［8］，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、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)［9-11］，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燈及光照度傳感器與Lon-Works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。

圖1 LonWorks控制系統(tǒng)的整體框架圖Fig.1 The whole framework of LonWorks control system

3 照明控制策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2 設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Design flow chart

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(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［12］。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。

圖3 模糊控制原理圖Fig.3 Schematic chart of fuzzy control

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)椋?，500］［13］，語(yǔ)言變量E的論域X＝［NB，NS，Z，PS，PB］；ec的基本論域?yàn)椋?25，25］［13］，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)椋?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)則可以寫成：

IfE＝XiAndEC＝BiThenEo＝Zi

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。

圖4 E，EC，Eo的隸屬度函數(shù)表Fig.4 Membership function chart about E，ECand Eo

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table_____

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。

圖5 模糊控制空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of fuzzy control

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

4 智能節(jié)點(diǎn)開發(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)開發(fā)工具Node Builder對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開發(fā)，開發(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(guò)程如圖7所示。

圖7 智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)過(guò)程示意圖Fig.7 Chart about the development process of intellingent node

通過(guò)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(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 DDE server）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。

圖8 網(wǎng)絡(luò)集成示意圖Fig.8 Chart about network integration

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(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)間開關(guān)燈的問(wèn)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(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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修改稿日期：2010-11-17

Study on Control Strategy of LED Energy Saving Lighting Based on LonWorks

GAO Ying，YANG Jian-bo，WANG Rong

（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，GuilinUniversityofElectronic Technology，Guilin541004，Guangxi，China）

The requirement for lighting is arrived by improving the management efficiency and lighting quality of lighting system under the condition of different occasions and time.Green lighting and energy saving lighting are also achieved.Control modular and control interface were completed with the help of Kingview software and fuzzy theory was introduced into the abnormal weather modular.Intelligent nodes are developed based on LonWorks bus technology.Intelligent nodes are connected with LON while the compute is with LAN.Therefore LON and LAN have to be integrated.Control strategy of energy saving lighting based on LonWorks bus technology was put forward.The problems are effectively solved such as switching lights at the wrong time due to unstable external illumination，scene lighting lack of flexibility and so on.The requirement for scene lighting is reached.Remote monitoring is achieved.Management efficiency of lighting system is improved.

LED lighting；LonWorks bus technology；fuzzy control；lighting control strategy

TP13

A

廣西區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（09-007-05-010）；廣西桂林市建規(guī)變資助項(xiàng)目（20090404）

高穎（1984-），女，碩士，Email：1005gaoying＠163.com

2010-06-23