基于無線網(wǎng)絡(luò)下的戶外球場燈光智能控制

摘 ?要：文章借助無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，通過無線信號傳輸實現(xiàn)對戶外球場燈光的智能控制，在滿足用戶對燈光需求的情況下，通過調(diào)節(jié)燈光亮度來達(dá)到節(jié)約電能和減少成本的目的。文章結(jié)合LED燈亮度可調(diào)節(jié)的優(yōu)點，考慮戶外大型籃球場的燈光控制，通過構(gòu)建球場燈光控制數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而設(shè)計能夠減少信號傳輸?shù)姆植际娇刂破?。最后通過在中山大學(xué)新華學(xué)院數(shù)值仿真實驗室進(jìn)行計算機(jī)實例仿真，體現(xiàn)該控制方法的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制;燈光控制;分布式控制;能源優(yōu)化

中圖分類號：TP273 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0054-03

Abstract：In this paper，with the help of wireless network sensor，the intelligent control of outdoor stadium lighting is realized through wireless signal transmission. Under the condition of meeting the lighting demand of users，the purpose of saving electric energy and reducing cost is achieved by adjusting the brightness of light. In this paper，combined with the advantages of adjustable LED light brightness，considering the lighting control of outdoor large basketball court，through the establishment of the mathematical model of stadium lighting control，and then design a distributed controller which can reduce the signal transmission. Finally，the advantages of the control method are demonstrated by computer simulation in the numerical simulation laboratory of Xinhua College of Sun Yat-Sen University.

Keywords：network control;lighting control;distributed control;energy efficiency

0 ?引 ?言

近些年來，國家大力推行保護(hù)生態(tài)環(huán)境，倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念，并于2015年正式實施了《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，部分省市已強(qiáng)制要求新建民用工程必須滿足一定以比例采用LED照明技術(shù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工藝的提高，對比傳統(tǒng)照明光源，LED光源具有發(fā)光效率高、使用壽命長、色溫范圍寬、光穩(wěn)定性高、冷光源、保護(hù)視力等優(yōu)點。此外，LED光源不含汞和鉛等有害元素，便于回收，且不會產(chǎn)生電磁干擾。LED光源的使用能有效降低煤炭消耗，減少二氧化碳及二氧化氮等有害氣體的排放，是節(jié)能環(huán)保的綠色光源。

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，LED燈由于其節(jié)能、易控等優(yōu)點被使用到各個領(lǐng)域，大致可分為室內(nèi)燈光控制和室外燈光控制[2]。當(dāng)前室內(nèi)燈光控制得到了比較多的關(guān)注[3-7]。劉睿瓊等在文獻(xiàn)[3]中根據(jù)人體存在信號和環(huán)境光信號進(jìn)行識別和只能判斷，完成對室內(nèi)照明的智能控制。文獻(xiàn)[4]的作者設(shè)計了一套智能燈光控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動、手動模式轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[5]中采用多傳感器的集成模塊來提高設(shè)備的精準(zhǔn)性，從而很好地實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能要求。Zhang等在文獻(xiàn)[6，7]中基于多智能體系統(tǒng)的控制首次提出室內(nèi)燈光動態(tài)控制系統(tǒng)，并將系統(tǒng)離散化以后采用模型預(yù)測控制實現(xiàn)室內(nèi)工作區(qū)域亮度一致。當(dāng)前，全國各大城市都將大型戶外公園作為城市建設(shè)的標(biāo)配，從而延伸出戶外大型球場燈光照明節(jié)能控制的必要性?？紤]到戶外球場人員流動量在傍晚時較大，白天光源熄滅，在傍晚到夜晚的過程中，隨著太陽落山日光越來越暗，LED光源可作為補(bǔ)充光源進(jìn)行使用。因此，在滿足球場使用者的亮度需求情況下，對光源實行智能控制可以起到節(jié)約能源的作用。本文基于以上分析，提出以戶外大型球場為例，考慮基于光傳感器下日光不足的燈光控制，從而很好地實現(xiàn)節(jié)能效果?？紤]到戶外球場的燈源設(shè)計位置一般間隔較遠(yuǎn)的情況，本文提出以無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號傳輸，從而實現(xiàn)布局簡單化。但是，無線網(wǎng)絡(luò)在處理較大數(shù)據(jù)量的時候會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲以及數(shù)據(jù)包丟失的情況，針對戶外較多燈源之間進(jìn)行信號傳輸?shù)那闆r，本文提出分布式的控制方法，該方法的最大好處在于可以選擇需要進(jìn)行信號傳輸?shù)臒粼?，其他燈源之間不需要信號傳輸，這樣可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膲毫?，保證信號傳輸質(zhì)量。因此，分布式控制器的設(shè)計可以盡量選擇在鄰近光源之間互相傳輸信號，從而實現(xiàn)對球場光源亮度的調(diào)節(jié)。

1 ?LED光源結(jié)構(gòu)

LED又叫發(fā)光二極管，LED的基本結(jié)構(gòu)是由P-N結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，其中LED的核心是P-N結(jié)，當(dāng)電流作用于芯片時，電子由N區(qū)向P區(qū)流動，在P區(qū)電子和空穴復(fù)合，同時將多余的能量以光子的形式釋放出來。光的顏色是由形成P-N結(jié)的材料決定的，如果在P-N結(jié)中添加不同的材料，就可以產(chǎn)生紅色、綠色、藍(lán)色三種顏色的LED，通過調(diào)節(jié)這三種顏色的混合比例，就可以獲得不同色溫的各色LED光源[8，9]。目前，白光LED是光效最高的照明光源，也是室內(nèi)、室外節(jié)能建筑中應(yīng)用最廣泛的。LED光源控制原理是通過脈寬調(diào)制控制，使得每個光源的占空比在0到1中間。當(dāng)占空比為0的時候，光源呈關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)占空比為1的時候，光源達(dá)到最大亮度。由于脈寬調(diào)制的優(yōu)勢，使得LED光源的亮度可以通過控制器在不亮與最亮之間隨意調(diào)節(jié)[4，5]。

2 ?基于LED燈的球場模型建立

本文將考慮六個球場的燈光聯(lián)網(wǎng)控制，每個球場燈源位置設(shè)計如圖1所示。

由文獻(xiàn)[10，11]可知，每個LED光源可以看成是一個獨立的子系統(tǒng)。假設(shè)第i個光源的占空比為xi（t），則有xi（t）∈[0，1]，xi（t）=0表示第i個燈不亮;xi（t）=1表示第i個燈達(dá)到最大亮度。如今社會上的大部分球場采取的是簡單的人為開關(guān)控制，不僅不能很好地利用太陽光亮，而且會造成大量電力消耗，很顯然已經(jīng)不符合時代發(fā)展。因此，本文提出通過傳感器感應(yīng)光亮反饋給中央控制器來調(diào)節(jié)1號光源的亮度，而其他光源之間通過無線信號傳輸來同步1號光源的亮度，從而實現(xiàn)整個球場亮度一致的效果。

其中，xr（t）表示1號光源的所需亮度參考值，是由球場需求亮度與太陽光亮的差值計算而來;aij表示有信號從第i號光源傳遞到第j號光源;bi表示第i號光源從1號光源獲取信號。式（3）中控制器的設(shè)計是以1號光源為調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，只要保證有一個光源接收1號傳輸?shù)男盘枺渌?～24號光源就將逐步趨近1號光源的亮度，從而實現(xiàn)球場燈光亮度一致。此文的思想源于在多智能體系統(tǒng)同步控制當(dāng)中，領(lǐng)導(dǎo)者與追隨者之間通過信號傳輸，從而實現(xiàn)追隨者與領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)一致。

3 ?案例仿真與分析

以圖1中球場分布為例，為了檢驗以上控制方法的有效性，本文盡量采取鄰近光源之間的信號傳輸，具體傳輸路線如圖2所示。

通過利用MATLAB仿真，考慮到日光在傍晚時刻越來越弱，LED光源將作為補(bǔ)充光源越來越亮，而本文主要是為了驗證控制方法的有效性，因此，在仿真中，我們采取1號光源占空比從0～0.8遞增的策略，設(shè)置參數(shù)aij=10，bi=20，觀察剩余2～24號光源的亮度情況。圖3是各光源的數(shù)值仿真結(jié)果，從圖中容易觀察到各光源的亮度變化，在t=23 s時，各光源亮度達(dá)到一致。從光源亮度調(diào)節(jié)時長來看，也是普遍能接受的結(jié)果。

為了進(jìn)一步驗證拓?fù)鋱D需要連通，我們首先將圖2中2號光源與5號光源的信號傳輸斷開，再將20號光源與23號光源連通起來，觀察仿真結(jié)果的變化。在仿真參數(shù)設(shè)置不變的情況下，圖4顯示的是2號與5號光源斷開的情況。從圖4中可看出，一號、三號、五號三個球場對應(yīng)的燈源都能實現(xiàn)控制目標(biāo)，而二號、四號、六號球場對應(yīng)的光源都沒有調(diào)亮，正好說明在缺少信號傳輸?shù)那闆r下，光源沒法按要求調(diào)節(jié)亮度。圖5顯示的是將20號與23號光源連通的情況。此時，所有光源能夠逐漸實現(xiàn)控制目標(biāo)，但是與圖3中的仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，圖5中的亮度調(diào)節(jié)更緩慢，主要是因為信號傳輸沒有選取較近的傳輸路線，導(dǎo)致信號傳輸以及燈光調(diào)節(jié)產(chǎn)生延遲。從圖4和圖5的仿真結(jié)果來看，進(jìn)一步驗證了本文提出的分布式控制方法的有效性。

4 ?結(jié) ?論

本文基于LED節(jié)能燈的亮度可調(diào)功能，考慮大型室外球場的燈光控制，從實際使用角度出發(fā)，在滿足用戶的情況下，最大限度地節(jié)約電能。同時，考慮到光源數(shù)量較大，采用集中控制需要復(fù)雜計算和大量數(shù)據(jù)傳播，易造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響燈光調(diào)控效果。因此，本文基于分布式網(wǎng)絡(luò)控制，在不同光源之間就近傳遞信號，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。仿真效果進(jìn)一步驗證了理論方法有效性。未來還可進(jìn)一步考慮多個光源信號發(fā)射點，信號傳遞策略也可進(jìn)一步多樣化。此外，本文的控制方法也可應(yīng)用到城市路燈調(diào)控當(dāng)中，路燈的位置設(shè)置決定了傳輸路線較長，采取在鄰近光源之間進(jìn)行信號傳遞的方式，將大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信道容量。

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作者簡介：張道遠(yuǎn)（1990.04—），男，漢族，湖北襄陽人，講師，研究生，碩士，主要研究方向：非線性系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)控制、智能體控制等。