基于模糊控制的LED路燈控制系統(tǒng)的理論研究

李蓮李立

(天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384)

1 引言

當(dāng)前，國內(nèi)外路燈控制方式主要采用光控和時(shí)控相結(jié)合的方法，也有部分城市為了達(dá)到節(jié)能的目的，在后半夜道路行駛車輛較少時(shí)關(guān)閉部分路燈——即所謂的“半夜燈”。這種控制方法雖然達(dá)到了節(jié)約電能的目的，但是由于路面照度不均，反而帶來了更多的安全隱患［1］。為了避免交通事故的發(fā)生，大多城市仍采用了“全夜燈恒照度”的路燈控制方式，這無疑造成了很大的浪費(fèi)。本文主要針對(duì)后半夜道路行駛車輛少的情況，利用道路現(xiàn)有的雷達(dá)測(cè)速儀與照度傳感器相結(jié)合，運(yùn)用模糊控制算法設(shè)計(jì)了一個(gè)智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，使得車輛行駛方向前方的部分路燈保持在一個(gè)較高的亮度，而車輛行駛過后路燈恢復(fù)到一個(gè)較低的亮度，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2 節(jié)能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模糊控制算法，根據(jù)實(shí)際的照明需求，對(duì)路燈電壓及照度情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的智能化管理。系統(tǒng)的基本控制流程圖如圖1所示。當(dāng)后半夜城市道路行駛車輛較少時(shí)，使車輛行駛前方的部分路燈處于較高的亮度，隨著車輛的不斷前進(jìn)，前方的路燈一盞一盞的變亮，而后方的路燈隨之變暗［2］。

系統(tǒng)的通信方式主要采用GPRS與ZigBee技術(shù)相結(jié)合的無線通信技術(shù)，達(dá)到對(duì)路燈單燈控制的目的。路燈控制方面硬件主要包括照度傳感器，雷達(dá)測(cè)速儀，智能控制器，ZigBee終端設(shè)備，GPRS模塊等。

如圖1所示，照度傳感器用來感應(yīng)外界的光照，當(dāng)外界環(huán)境的亮度低于某一特定值時(shí)，則自動(dòng)開啟路燈，經(jīng)過一定的延時(shí)后，智能控制器通過可變電抗器調(diào)節(jié)路燈到一個(gè)較低的亮度;雷達(dá)測(cè)速儀主要用于后半夜，道路行駛車輛較少時(shí)來測(cè)量車速，經(jīng)模糊化處理得到調(diào)節(jié)路燈亮度的延時(shí);可變電抗器接收智能控制器的命令進(jìn)行調(diào)壓，從而改變路燈端電壓，實(shí)現(xiàn)路燈的亮度調(diào)節(jié)功能;GPRS模塊負(fù)責(zé)控制中心與路燈ZigBee終端設(shè)備的通信。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

3 無線通信模塊

本系統(tǒng)的無線通信主要采用GPRS與ZigBee相結(jié)合的通信方式，上層網(wǎng)絡(luò)通過GPRS模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，下層通信主要是由ZigBee終端模塊完成的。下層網(wǎng)絡(luò)采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)?。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種可靠性高的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點(diǎn)都是平等的，任何結(jié)點(diǎn)的離開或者加入都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，將每一條街道劃分為一個(gè)子區(qū)域，子區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)，每個(gè)子區(qū)域設(shè)置一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，各個(gè)單燈結(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接 (圖2)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的ZigBee無線終端設(shè)備為CC2430無線通信模塊，CC2430芯片內(nèi)集成增強(qiáng)的8051微處理器內(nèi)核和符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的天線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，處于休眠模式時(shí)功耗小，是首款符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)單芯片。由于CC2430中帶有一個(gè)8位的8051微控制器，所以在硬件設(shè)計(jì)中可以省去微控制器模塊，降低控制系統(tǒng)的成本［3］［4］。

4 模糊控制器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將LED路燈工作情況分為三個(gè)等級(jí):全功率、半功率和關(guān)閉。夜晚車輛多時(shí)，路燈處于全功率工作狀態(tài)，進(jìn)入后半夜車輛較少時(shí)，在半功率狀態(tài)工作。模糊控制的實(shí)現(xiàn)過程為:當(dāng)雷達(dá)測(cè)速儀檢測(cè)到車輛的速度信號(hào)時(shí)，首先調(diào)整特定范圍內(nèi)的路燈亮度，速度信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入智能控制器進(jìn)行模糊化處理后得到時(shí)間t，即特定范圍外下一盞路燈變亮的延遲時(shí)間，同時(shí)也是車輛行駛過后，路燈逐漸變暗的時(shí)間?？刂圃韴D如圖3所示［5］。

圖3 模糊控制系統(tǒng)原理圖

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下步驟:模糊化過程、模糊控制規(guī)則的建立、精確化計(jì)算。

(1)模糊化過程

模糊化過程就是把輸入的數(shù)值，根據(jù)輸入變量模糊子集的隸屬度函數(shù)找出相應(yīng)的隸屬度值的過程。本模糊控制系統(tǒng)只有一個(gè)輸入變量:車輛的速度值。將該速度值分為大 (PB)、較大 (PS)、中 (ZE)、較小 (NS)、小 (NB)代表了夜晚車速的全部情況。將輸出變量延時(shí)時(shí)間t分為短、中、較長、長四級(jí)，輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖4所示［6］。

圖4 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)圖

(2)模糊控制規(guī)則的建立

模糊系統(tǒng)是用一系列基于專家知識(shí)的語言來描述的，專家知識(shí)常用“IF THEN”規(guī)則的行駛，而這些規(guī)則很容易通過模糊邏輯條件語句來實(shí)現(xiàn)。以下面的規(guī)則來對(duì)模糊控制器的工作情況進(jìn)行簡單的說明:

規(guī)則1:如果速度為中，則延遲時(shí)間t為中

規(guī)則2:如果速度為正小，則延遲時(shí)間t為較快

(3)精確化計(jì)算

精確化計(jì)算就是把語言表達(dá)的模糊量回復(fù)到精確的數(shù)值，假定速度為48km/h計(jì)算，則

對(duì)應(yīng)規(guī)則1，速度為中的隸屬度是0.2，延遲時(shí)間t為中的隸屬度為0.2;

對(duì)應(yīng)規(guī)則2，速度為正小的隸屬度是0.8，延遲時(shí)間t為較快的隸屬度為0.8。

延遲時(shí)間t的模糊集如圖5中陰影部分所示，為了達(dá)到這一模糊集的最佳等效精確值，套用精確化過程重心計(jì)算法的積分公式，可得:

圖5 推理出的延遲時(shí)間隸屬度

從而得到延遲時(shí)間的確切值3.54s。路燈間距為50米時(shí)，速度為48km/h的車輛行駛一個(gè)路燈間距所用的時(shí)間為3.75s，與智能控制器輸出時(shí)間相差僅為0.21s，誤差較小，可以滿足車輛行駛前方特定范圍內(nèi)路燈保持較高亮度的要求。

模糊控制器得出的延遲時(shí)間信號(hào)，經(jīng)由ZigBee終端設(shè)備在局域網(wǎng)內(nèi)傳遞給下一盞路燈，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)車輛的行駛速度來控制路燈的工作情況，既保證了行車的安全性，又達(dá)到了節(jié)能的效果。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開關(guān)燈及節(jié)能控制的軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電后，先對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行初始化，然后根據(jù)照度傳感器的數(shù)值來進(jìn)行判斷是否要開關(guān)燈，當(dāng)照度達(dá)到一定要求，系統(tǒng)自動(dòng)打開路燈并開始計(jì)時(shí);計(jì)時(shí)時(shí)間到，LED路燈進(jìn)入半功率工作狀態(tài)，之后當(dāng)雷達(dá)測(cè)速儀檢測(cè)到車輛的速度信號(hào)后，由模糊控制器處理后得到路燈的延遲信號(hào)，信號(hào)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給下一盞路燈以及距離車輛最近的路燈，從而控制路燈的工作狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)的軟件流程圖

6 結(jié)論

本節(jié)能控制系統(tǒng)采用了GPRS與ZigBee相結(jié)合的無線通訊技術(shù)，針對(duì)城市后半夜車輛的行駛情況運(yùn)用模糊控制算法對(duì)路燈進(jìn)行控制，真正做到了“在保證照明的情況下開著燈節(jié)電”，既達(dá)到了能源節(jié)約的目標(biāo)，又滿足了城市的照明需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］曾一凡，吳春美，楊曉紅等．基于模糊決策的路燈節(jié)電等級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］．節(jié)能，2006，9:36～41．

［2］安雙利，錢銳，陸翔宇等．基于單片機(jī)智能控制的路燈節(jié)能系統(tǒng)的研制 ［J］．上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011年3月，28(3):49～53．

［3］郭佑民，劉娟，孟凡剛等．基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010年8月，29(4):36～39．

［4］張偉，王宏剛，程培溫．基于GPRS的智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(9):2104～2106．

［5］韋?。悄芸刂萍夹g(shù) ［M］．機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［6］林濤，馬立君．基于模糊控制的路燈節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電子科技，2008，220(1):6～8．