一種室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)

羅倩倩

（湖北文理學(xué)院物電學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

一種室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)

羅倩倩

（湖北文理學(xué)院物電學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

為節(jié)約電力資源，基于室內(nèi)照明節(jié)能控制、人群流量監(jiān)控和燈聯(lián)網(wǎng)三個技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于電力載波通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)行人活動情況實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)燈具協(xié)同照明控制，達(dá)到在不影響照明體驗情況下的最優(yōu)節(jié)能控制并可同時實現(xiàn)人群活動熱點監(jiān)控功能。闡述了系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。該設(shè)計對于節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控具有一定的參考意義。

電力載波通信；節(jié)能控制；人群活動監(jiān)控

1 引言

目前，室內(nèi)公共場所的照明燈具大部分采用“全天候亮燈、恒照度”模式，即使某些時段行人稀少，照明燈具依然全功率運作，這種模式造成了電能的巨大浪費［1］。為了解決此問題，部分室內(nèi)照明燈具采用了“分時段功率亮度調(diào)節(jié)”模式，這種模式對單個燈具進(jìn)行功率參數(shù)設(shè)置，使得單個燈具依時段按設(shè)定功率亮燈，例如 18:00-23:00全功率亮，23:00-6:00半功率亮，但這種模式仍然不是最優(yōu)［2］。根據(jù)室內(nèi)公共場所燈具的功能特點，燈具節(jié)能的最優(yōu)策略應(yīng)是有行人時亮燈，沒有行人時熄燈［3-4］。要想實現(xiàn)“節(jié)能最優(yōu)策略”模式，燈具須能識別行人并及時做出反應(yīng)亮燈，目前通用的解決方法是在單個燈具上安裝紅外感應(yīng)模塊或微波雷達(dá)感應(yīng)模塊［5］，這種人體感應(yīng)式燈具在樓道中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，但是如果將這種人體感應(yīng)式燈具應(yīng)用在大型室內(nèi)公共場所的環(huán)境中，由于這些燈具之間彼此獨立，行人的行進(jìn)前方仍然會處于非照明狀態(tài)，這會影響行人的方向判斷和整體照明體驗。

為了克服上述技術(shù)中的缺陷與不足，本文基于燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的思想［7］，采用電力載波通信（power carrier communication，PLC）技術(shù)將室內(nèi)所有的人體感應(yīng)式燈具連接起來組成一個通信網(wǎng)絡(luò)［8-10］，使得相鄰的人體感應(yīng)式燈1具之間可以相互發(fā)送控制信息，從而實現(xiàn)一個區(qū)域內(nèi)多個燈具協(xié)同照明控制，可以在不影響照明體驗的情況下實現(xiàn)最優(yōu)化節(jié)能控制［11-12］。由于每個燈具均安裝有一個人體感應(yīng)模塊，將其與燈具控制模塊相關(guān)聯(lián)，可實現(xiàn)人群活動熱點監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

一種室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括多個PLC感應(yīng)式智能燈具、PLC網(wǎng)關(guān)、低壓電力線、WiFi網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)監(jiān)控終端。

圖1 一種室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 PLC感應(yīng)式燈具結(jié)構(gòu)

PLC感應(yīng)式智能燈具由平板燈具、人體感應(yīng)探頭、人體感應(yīng)模塊、燈具驅(qū)動電源、單片機(jī)系統(tǒng)模塊、開關(guān)管控制模塊、PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和AC/DC電源組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC感應(yīng)式智能燈具結(jié)構(gòu)示意圖

人體感應(yīng)探頭安裝在平板燈燈罩上，用于感知行人，人體感應(yīng)探頭通過驅(qū)動控制線路與人體感應(yīng)模塊相連，人體感應(yīng)模塊通過驅(qū)動控制線路與單片機(jī)系統(tǒng)模塊的 I/O口引腳相連，單片機(jī)系統(tǒng)模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)引腳與PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊相連，PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)端與220V低壓電力線相連，單片機(jī)系統(tǒng)模塊接收到的人體感應(yīng)觸發(fā)信息通過PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳輸至電力線上；單片機(jī)系統(tǒng)模塊通過驅(qū)動控制線路與開關(guān)管控制模塊連接，開關(guān)管控制模塊的一端與燈具驅(qū)動電源的負(fù)極相連接，另一端與燈具光源的負(fù)極相連接，單片機(jī)系統(tǒng)模塊通過驅(qū)動開關(guān)管控制模塊實現(xiàn)平板燈具的開關(guān)控制，燈具驅(qū)動電源的 AC端口分別與 220V市電的火線和零線相連；單片機(jī)系統(tǒng)模塊的PWM引腳與燈具驅(qū)動電源的PWM端相連，單片機(jī)系統(tǒng)模塊通過驅(qū)動燈具驅(qū)動電源實現(xiàn)燈具功率亮度的調(diào)節(jié)；AC/DC電源的AC端與220V市電相連，DC端與單片機(jī)控制模塊和PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的供電引腳相連，為兩模塊提供合適的工作電壓。每個PLC感應(yīng)式智能燈具擁有唯一的地址編碼（PLC-ID）。

2.2 PLC網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

PLC網(wǎng)關(guān)由嵌入式處理器最小系統(tǒng)、PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和AC/DC電源組成，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的收發(fā)引腳與嵌入式處理器最小系統(tǒng)相連，嵌入式處理器最小系統(tǒng)與WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊相連，PLC網(wǎng)關(guān)的功能是將PLC電力載波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WiFi無線通信數(shù)據(jù)，同時將一些實時數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中；AC/DC電源一端與220V市電相連，一端與嵌入式處理器最小系統(tǒng)、PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的供電引腳相連，為三模塊提供合適的工作電壓。

2.3 計算機(jī)監(jiān)控終端

計算機(jī)監(jiān)控終端包括前臺監(jiān)控操作界面和數(shù)據(jù)庫兩大部分。

數(shù)據(jù)庫用來存儲PLC感應(yīng)式智能燈具的地址編碼，燈具的工作狀態(tài)（亮或熄）、燈具觸發(fā)信息的起始時間和結(jié)束時間。

前臺監(jiān)控操作界面用來顯示每個 PLC感應(yīng)式智能燈具所在位置的人群熱點信息，從而可以跟蹤任意時間點的室內(nèi)公共場域的人群分布狀態(tài)；前臺監(jiān)控操作界面可以對所有智能燈具進(jìn)行區(qū)域分組和關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多個燈具協(xié)同照明控制，還以操作數(shù)據(jù)庫查看燈具過去任意時刻的工作狀態(tài)和觸發(fā)信息。

3 系統(tǒng)工作原理

通過以上電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，本系統(tǒng)的工作原理為：PLC感應(yīng)式智能燈具和 PLC網(wǎng)關(guān)被分配一個獨一無二的PLC-ID號，每一個PLC感應(yīng)式智能燈具均有一組智能燈具與之相關(guān)聯(lián)，當(dāng)行人經(jīng)過一個PLC燈具下方，燈具中的人體感應(yīng)探頭會產(chǎn)生一個感應(yīng)觸發(fā)信息交由單片機(jī)系統(tǒng)模塊處理，單片機(jī)系統(tǒng)模塊會驅(qū)動開關(guān)管控制模塊控制燈具光源亮燈，同時將感應(yīng)觸發(fā)信息交給PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將感應(yīng)觸發(fā)信息傳送至電力線上，感應(yīng)觸發(fā)信息通過電力線傳送至與本燈具相關(guān)聯(lián)的智能燈具，從而觸發(fā)相關(guān)聯(lián)的多個智能燈具亮燈，感應(yīng)觸發(fā)信息通過電力線傳送至PLC網(wǎng)關(guān)，PLC網(wǎng)關(guān)將信息轉(zhuǎn)換成WiFi信息，將信息傳至WiFi網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)監(jiān)控終端接收到此感應(yīng)觸發(fā)信息，立即關(guān)聯(lián)對應(yīng)的時間，將感應(yīng)觸發(fā)信息和時間存儲至數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)行人離開此燈具下方，燈具的人體感應(yīng)探頭會產(chǎn)生一個感應(yīng)復(fù)位信息，此時，單片機(jī)系統(tǒng)模塊會產(chǎn)生一個延時時鐘信號控制燈具光源延時熄燈或者通過 PWM引腳驅(qū)動燈具驅(qū)動電源逐漸降低光源亮度進(jìn)行延時熄燈，同時將感應(yīng)復(fù)位信息交給PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊將感應(yīng)復(fù)位信息傳送至電力線上，感應(yīng)復(fù)位信息通過電力線傳送至與本燈具相關(guān)聯(lián)的智能燈具，從而觸發(fā)相關(guān)聯(lián)的多個智能燈具進(jìn)行延時熄燈操作，感應(yīng)復(fù)位信息通過電力線傳送至 PLC網(wǎng)關(guān)，PLC網(wǎng)關(guān)將信息轉(zhuǎn)換成WIFI信息，將信息傳至WIFI網(wǎng)絡(luò)中，聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)監(jiān)控終端接收到此感應(yīng)復(fù)位信息，立即關(guān)聯(lián)對應(yīng)的時間，將感應(yīng)復(fù)位信息和時間存儲至數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過對數(shù)據(jù)庫中的所有燈具的感應(yīng)觸發(fā)和復(fù)位信息及對應(yīng)時間進(jìn)行統(tǒng)計分析獲取任意時間點的區(qū)域內(nèi)的人群活動熱點分布狀況。

4 系統(tǒng)效果分析

提出的一種室內(nèi)照明節(jié)能控制和人群活動監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳統(tǒng)的感應(yīng)式燈具連接起來，實現(xiàn)了一個燈具和與之相關(guān)聯(lián)的燈具協(xié)同照明的功能，在不影響行人的照明體驗的情況下實現(xiàn)了節(jié)能優(yōu)化，同時，由于所有的智能燈具的感應(yīng)觸發(fā)和復(fù)位信息會實時的傳送至計算機(jī)監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)庫中，通過對感應(yīng)觸發(fā)和復(fù)位信息及對應(yīng)的時間大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以有效的獲取任意時間點的室內(nèi)公共場所的人群活動熱點分布狀況。

5 總結(jié)

以上為結(jié)合實際情況對室內(nèi)照明節(jié)能控制的一些探討，在系統(tǒng)設(shè)計時兼顧考慮了人群活動監(jiān)控的功能。事實上該系統(tǒng)還可以擴(kuò)展到更多的場景。例如為了進(jìn)一步提高整體照明效果，一個PLC智能燈具可以關(guān)聯(lián)更多的相鄰的智能燈具，人體感應(yīng)模塊如果采用可以判斷行人移動方向的微波雷達(dá)，可以將關(guān)聯(lián)的燈具和行人運動方向相結(jié)合，僅僅控制行人的行進(jìn)前方的燈具亮燈，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能。

［1］ 涂金龍.綠色照明與智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)［J］.電氣時代，2007（9）:88-90.

［2］ 蔡可健.道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2006，40（6）:14-15，39.

［3］ 胡琥，陳彬，韓利紅，等.基于人行為習(xí)慣的圖書館照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.建筑節(jié)能，2015（3）:96-98.

［4］ 龔志廣.智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2015（1）:86-89.

［5］ 聞濤.紅外智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)在教室中的應(yīng)用［J］.建筑節(jié)能，2015（7）:79-81.

［6］ 管慶磊.城市道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子世界，2014（13）:142.

［7］ 王健，王倩，張雨，等.燈聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景［J］.中國數(shù)據(jù)通信，2014（16）:92-93.

［8］ 潘宗嶺，王超.基于電力載波和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑節(jié)能測評系統(tǒng)［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（4）:64-67.

［9］ 陳曉艷，高偉，秦歡，等.基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2013（36）:63-64.

［10］ 姬小夸，于會山.低壓電力載波通信系統(tǒng)信道傳輸特性及干擾抑制技術(shù)［J］.有線電視技術(shù)，2011（10）:46-49.

［11］ 劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng)，等.白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.光通信技術(shù)，2009，33（7）:53-56.

［12］ 王永亮，吳瑜鋼，吳春艷.基于HT46R24的LED室內(nèi)節(jié)能照明電路設(shè)計［J］.科技信息，2010（19）:18，11.

An intelligent lighting controlling and crowd activity monitoring system

In order to save the power， a kind of indoor lighting controlling and crowd activity monitoring system based on power carrier communication network is put forward. According to the pedestrian activity， it can coordinate the lamps to reach the optimal energy saving and monitor the crowd activity at the same time. The working principle and structure design of this system is proposed. The design for energy-saving control and crowd activity monitoring has certain

ignificance.

Power carrier communication； energy-saving control； crowd activity monitoring

TM923

A

1008-1151（2016）08-0010-03

2016-07-10

2014襄陽市科學(xué)技術(shù)局項目（襄科計［2014］12號）。

羅倩倩（1982-），女，湖北潛江人，湖北文理學(xué)院物電學(xué)院講師，從事IP網(wǎng)絡(luò)通信、光通信、LED照明方面的研究。