無(wú)線單片機(jī)在建筑節(jié)能照明中的應(yīng)用分析

譚艷梅

引言：為提高建筑電氣照明的管理水平，節(jié)省電能消耗，在分析了物聯(lián)網(wǎng)路燈等效模型的基礎(chǔ)上，利用無(wú)線單片機(jī)提出了一種適用于物聯(lián)網(wǎng)建筑照明的模糊控制策略。當(dāng)光照強(qiáng)度不高于限值時(shí)，模糊控制器可根據(jù)建筑內(nèi)人流動(dòng)情況對(duì)照明燈端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整對(duì)應(yīng)照明燈的亮度，節(jié)約電能，同時(shí)，通過(guò)模糊控制器中的電壓、電流反饋，對(duì)照明燈運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了管理和維護(hù)效率。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)方案實(shí)現(xiàn)照明燈管理與控制已成為可能，為此，在物聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)上，選擇一種可靠性較高、控制靈活、便于實(shí)現(xiàn)的控制策略是照明燈智能調(diào)控的前提。

一、 物聯(lián)網(wǎng)照明燈的等效模型

物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)對(duì)象的可控性，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)照明燈模型的分析，有助于提出合理可靠的控制及管理方案。物聯(lián)網(wǎng)照明燈的管理和控制主要通過(guò)無(wú)線通信及對(duì)應(yīng)的軟硬件支持。單個(gè)照明燈由對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)控制，在一定的地域范圍內(nèi)，各控制終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線路由聯(lián)系在一起。同時(shí)，在該建筑區(qū)域內(nèi)設(shè)置人流動(dòng)信息采集裝置，無(wú)線路由將所轄范圍建筑物內(nèi)人流動(dòng)及照明燈運(yùn)行信息經(jīng)GPRS傳給管理計(jì)算機(jī)，通過(guò)模糊控制算法，對(duì)不同區(qū)域的照明燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)照明燈的可控性，其關(guān)鍵有：（1）無(wú)線通信及協(xié)議規(guī)范。照明燈的地理位置分散，采用無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)照明燈的遠(yuǎn)程控制是必要的?？紤]到當(dāng)前的無(wú)線通信的成本、傳輸速率、可靠性等，可采用ZigBee+GPRS通信的模式。一方面通過(guò)Zigbee通信控制照明燈節(jié)點(diǎn)的亮度變化，另一方面將照明燈運(yùn)行狀況（端電壓、電流檢測(cè)數(shù)據(jù)）和建筑物內(nèi)參數(shù)（對(duì)應(yīng)樓道、路面人流信息）通過(guò)ZigBee多跳傳輸，利用無(wú)線路由作為紐帶傳給監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，根據(jù)模糊控制算法，反饋調(diào)節(jié)當(dāng)前照明燈的亮度。對(duì)于不同建筑物內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)的照明燈控制，可采用“一主多從”的應(yīng)答管理方式。從站（某建筑物的路由節(jié)點(diǎn)）利用GPRS通信向主站（監(jiān)控計(jì)算機(jī)）發(fā)送照明燈運(yùn)行狀況和建筑物內(nèi)人流信息數(shù)據(jù)，待到計(jì)算機(jī)分析完數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備發(fā)出控制指令，喚醒對(duì)應(yīng)建筑物所負(fù)責(zé)的路由節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)該路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，經(jīng)Zigbee，各照明燈終端控制器調(diào)節(jié)照明燈亮度。

（2）建筑物附近人流信息的采集和模糊知識(shí)庫(kù)的建立。監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行通行量統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合所在區(qū)域隨時(shí)間變化照明燈開(kāi)關(guān)時(shí)間、照明燈開(kāi)啟所需光強(qiáng)要求等建立模糊知識(shí)庫(kù)，為模糊控制提供參考閥值。光強(qiáng)檢測(cè)、照明燈端電壓及電流大小通過(guò)ZigBee+GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，根據(jù)建立的模糊知識(shí)庫(kù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模糊分析，適時(shí)對(duì)照明燈亮度做出控制。

二、物聯(lián)網(wǎng)照明燈的模糊控制器設(shè)計(jì)

1、目標(biāo)特征量的獲取

目標(biāo)特征量的獲取主要是光照強(qiáng)度和建筑物負(fù)責(zé)區(qū)域人流通行量大小的確定，在這里，光照強(qiáng)度具有較高的優(yōu)先度，即若光照強(qiáng)度高于某個(gè)限制，而建筑物負(fù)責(zé)區(qū)域人流通行量大小不作為控制照明燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

（1）光照強(qiáng)度信息的獲取：利用專(zhuān)用的光照強(qiáng)度傳感器，一個(gè)照明燈節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的照明燈區(qū)域可根據(jù)覆蓋面積選擇一定數(shù)量的測(cè)量節(jié)點(diǎn)，這樣，當(dāng)一個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)有誤時(shí)，可剔除該節(jié)點(diǎn)測(cè)量值，利用其他測(cè)量節(jié)點(diǎn)對(duì)照明燈進(jìn)行調(diào)控。

（2）當(dāng)光強(qiáng)低于限值時(shí)，建筑物附近通行量獲?。豪帽O(jiān)控?cái)z像頭和高清卡口獲取建筑物附近行人、車(chē)輛等信息，并根據(jù)文獻(xiàn)提供的組合預(yù)測(cè)算法，可實(shí)現(xiàn)某區(qū)域通行量的獲取。

2、照明燈模糊控制器設(shè)計(jì)

照明燈的模糊控制是通過(guò)分析通行量和光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)照明燈端電壓，實(shí)現(xiàn)照明燈亮度控制，利用模糊規(guī)則表示為：

Rk：if Mk is Ak and Ik is Bk

then Uk is Ck

其中，Mk、Ik、Uk分別為第k次采樣通行量、光照強(qiáng)度、端電壓；Ak、Bk、Ck分別為第k次采樣通行量量值、光照強(qiáng)度值、端電壓大小。

3、 照明燈模糊控制流程

照明燈模糊控制的目的在于通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)端電壓控制，其基本的控制流程如圖所示。首先進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測(cè)，當(dāng)光強(qiáng)不高于某光照強(qiáng)度時(shí)（在這里取15lx），進(jìn)行通行量檢測(cè)，另外對(duì)無(wú)線路由等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，采取試探法，確保每個(gè)照明燈節(jié)點(diǎn)連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)此，由模糊控制器輸出對(duì)應(yīng)照明燈的控制端電壓，終端控制器根據(jù)模糊控制器指令，調(diào)節(jié)端電壓值。

圖1 照明燈的模糊控制流程

三、 照明燈模糊控制的合理性分析

為對(duì)控制策略的合理性分析，可通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的定時(shí)控制和模糊控制算法來(lái)體現(xiàn)模糊控制的合理性。

1、耗電量分析

為了說(shuō)明耗電的優(yōu)越性，以路燈控制為例，重慶夏季晚上19：30開(kāi)燈、次日早上5：30關(guān)燈，以單盞路燈400W計(jì)算，重慶主城主干道約12萬(wàn)盞路燈，共計(jì)單日耗電48萬(wàn)kW；而采用模糊控制器，對(duì)整夜路燈亮度按通行量大小進(jìn)行調(diào)整，19：30～24：30和4：30～5：30為預(yù)計(jì)的通行高峰，此時(shí)段路燈調(diào)節(jié)處在額定功率范圍，而其他時(shí)段，通行量較少，可調(diào)壓至200W照明，這樣單日耗電約為38萬(wàn)kW，與傳統(tǒng)調(diào)控方式相比，模糊控制策略單日耗電節(jié)省約10萬(wàn)kW.

2、照明燈維護(hù)、管理分析

對(duì)建筑物轄區(qū)內(nèi)照明燈進(jìn)行逐一故障排查，耗費(fèi)大量的人力物力，且實(shí)時(shí)性較差，采用如圖2所示的模糊控制器，在控制器的反饋回路檢測(cè)照明燈的電流、端電壓值，這樣就能知道每盞照明燈的工作狀態(tài)。在監(jiān)控計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行設(shè)置照明燈狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)于存在的異常電流電壓值可自動(dòng)提取，按照照明燈的編號(hào)，快速確定故障照明燈所在位置，提高管理和維護(hù)效率。

總之，物聯(lián)網(wǎng)照明燈的模糊控制能提高照明燈的管理、節(jié)約電能消耗，但是也存在一些不足，例如，建筑物附近人流通行都需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)積累，建立可靠的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，保證模糊推理的準(zhǔn)確性，為此，對(duì)于照明燈的遠(yuǎn)程智能控制還需要不斷的探索和努力。

參考文獻(xiàn)

[1]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）.

[2]彭昊. 基于城市交通流量組合預(yù)測(cè)模型的模糊控制系統(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2009.

（作者單位： 廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）