燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的應用與實現(xiàn)

徐巍峰，翁利國

(1.國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電公司，浙江 杭州 331202； 2.浙江中新電力工程建設有限公司，浙江 杭州 331202)

如今，大多數(shù)國家都在推行節(jié)能減排理念，傳統(tǒng)的燈泡照明逐漸被消耗電量少和亮度高的LED照明取代，更加符合當今社會節(jié)能減排的宗旨，且更容易被控制[1]。伴隨著智能化時代的到來，智能傳感器的應用更加廣泛，通過控制智能照明系統(tǒng)，給人們帶來了多樣化的照明體驗感，不僅可以滿足人們?nèi)粘Ｕ彰鞯男枨螅€給人們生活增添了新樂趣，讓人們感受到照明的愉悅感。傳統(tǒng)的照明方式，能耗高而且照明方式單一，無法滿足人們在不同場合對照明的需求[2]。因此智能照明系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，雖然智能照明系統(tǒng)的應用還處于初級研究階段，還沒有被廣泛地應用在工業(yè)樓宇與市政等方面，但已然成為未來的一種發(fā)展趨勢[3]。

郭金濤等[4]提出了一種基于光線追蹤理論的激光照明光學系統(tǒng)，用來解決傳統(tǒng)的激光照明性能較差的問題，使其得到廣泛地應用。首先，基于光線追蹤理論對激光器的快軸進行設計，通過對慢軸方向的調(diào)控，實現(xiàn)對激光照明器的熒光片設計，優(yōu)化激光照明器的整體性能，最終實現(xiàn)激光照明器的窄光束照明。仿真實驗結(jié)果表明，基于光線追蹤理論的激光照明光線系統(tǒng)，光源的收集率高達98%，白光的均勻度可達到98.5%，完全解決了傳統(tǒng)激光照明器性能差的問題。傅鵬等[5]在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種智能照明控制系統(tǒng)，用來提高智能家居環(huán)境下，照明系統(tǒng)的整體的體驗感。首先，利用智能傳感器采集每個LED等的節(jié)點信息，利用WiFi與云端的互聯(lián)，實現(xiàn)云端服務器對智能傳感器的控制，終端可以通過Android移動智能設備實現(xiàn)對智能照明系統(tǒng)的控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在滿足人們照明需求的同時，提高了智能家居環(huán)境下照明系統(tǒng)的舒適感和藝術(shù)性。

基于以上研究存在的問題，本文利用燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計了智能照明系統(tǒng)，從而滿足用戶的需求。

1 智能照明系統(tǒng)硬件設計

1.1 設計燈聯(lián)網(wǎng)型測控器

燈聯(lián)網(wǎng)型測控器在智能照明系統(tǒng)硬件設計中的作用是通信樞紐作用，包括智能傳感器指令的轉(zhuǎn)換和終端操作的執(zhí)行。此外，燈聯(lián)網(wǎng)型測控器還控制整個智能照明系統(tǒng)的照明回路，還具備云端通信和本地數(shù)據(jù)存儲等功能[6]。因此，燈聯(lián)網(wǎng)型測控器設計較為復雜，燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的硬件設計主要包括MCU控制器、PWM調(diào)光法和WiFi模塊設計3種形式。

燈聯(lián)網(wǎng)型測控器，可以通過MCU控制器[7]實現(xiàn)對10條回路照明器的控制?？刂颇Ｊ娇煞譃?種，分別是本地控制和遠程終端控制[8]。燈聯(lián)網(wǎng)型測控器主要采用HFE20的測控器，且接觸點的容量為30 A/220 V。HFE20測控器的使用和斷開通過信號的輸出和輸入來控制，在斷電后會恢復到初始設置狀態(tài)。燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的電路原理如圖1所示。

燈聯(lián)網(wǎng)型測控器需要對操作指令進行儲存操作，并根據(jù)設備的拓撲信息進行參數(shù)初始化處理，并根據(jù)實時命令進行儲存信息的更新。雖然MCU控制器具有存儲功能，但是內(nèi)存較小，無法滿足智能照明系統(tǒng)信息儲存的要求。因此，本文利用AT24C512

圖1 燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的電路原理Fig.1 Circuit principle of lamp networking type measuring and controlling device

增加燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的儲存空間，實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的本地儲存功能。通過AT24C512與MCU控制器的聯(lián)合，提高測控器的存儲能力[9]。燈聯(lián)網(wǎng)型測控器儲存模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 燈聯(lián)網(wǎng)型測控器儲存模塊的原理Fig.2 Storage module of lamp networked measurement and control device

燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的主要作用，就是對命令的執(zhí)行以及智能照明數(shù)據(jù)的存儲。燈聯(lián)網(wǎng)型測控器主要通過智能傳感器向LED等傳達操控命令，同時也會接收來自LED的傳感器的數(shù)據(jù)信息。燈聯(lián)網(wǎng)型測控器通過智能傳感器接收到的操作指令，經(jīng)過協(xié)議的轉(zhuǎn)換[10]，再通過互聯(lián)網(wǎng)傳送給智能照明系統(tǒng)。

1.2 設計CPU控制電路

智能照明系統(tǒng)的CPU搭建STM32F103RBT6的智能傳感器實現(xiàn)對智能照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過外接晶振，增加8 MHz的幅頻信號，使主頻可達到72 MHz。為了避免其他信號源對智能照明系統(tǒng)信號源的干擾[11]，在進行電路電源設計時添加退耦電容，阻斷干擾信號的影響。CPU的控制電路如圖3所示。

圖3 CPU控制電路Fig.3 CPU control circuit

如圖3所示，在CPU控制電路中，為了防止其他信號對操控系統(tǒng)的干擾，在VSS處接了1個0.2/0.1 μF 的貼片電容。再利用TX/RX 與 CC2530 的 RX/TX 引腳進行相連，實現(xiàn)CPU的操控功能[12-13]。CPU的芯片主要采用W510，通過與智能照明系統(tǒng)通信接口的連接，使智能操控的傳輸速度可達到150 Mb/s。

2 智能照明系統(tǒng)軟件設計

2.1 設計色彩空間及顏色調(diào)節(jié)算法

在智能照明系統(tǒng)的色彩空間領(lǐng)域，對于燈光色彩的描述方法多種多樣，其中主要以RGB色彩空間[14]，XYZ色彩空間為主。

智能照明系統(tǒng)的RGB色彩空間：RGB色彩空間是基于LMS色彩空間的基礎(chǔ)上，基于人眼的三類視錐細胞，讓人們感受到紅色、黃色和藍色的燈光感受，燈光本身的顏色是3種顏色混合而成的，通過燈光感受讓人感受到更多的顏色，使燈光色彩在呈現(xiàn)的同時不會出現(xiàn)色彩偏差[15-16]。RGB顏色匹配函數(shù)如圖4所示。

圖4 RGB顏色匹配函數(shù)Fig.4 RGB color matching function

從圖4中可以看出，當色彩空間的顏色匹配函數(shù)值為負數(shù)時，其實際的色彩顯示會受到影響，此時的色彩用RGB色彩空間表示也會出現(xiàn)非正值，不適合人眼的三類視錐細胞運行思維[17]，因此基于RGB色彩空間提出了xyY色彩空間。

智能照明系統(tǒng)的xyY色彩空間：該空間是在RGB空間的基礎(chǔ)上演變而來，由于人類的眼睛類型為三維視錐細胞，所以人們看到的色彩都是三維空間表述的，比如白色和灰色的色度其實是一樣，只不過人眼視錐細胞會分辨出2色，但二者本身的區(qū)別只是色度不同，白色屬于明亮的色度而已。原本的色彩空間用來描述顏色本身的色度，用來描述明度。

2.2 設計智能照明PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序

智能照明系統(tǒng)的PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序，主要用于接收系統(tǒng)的控制命令，并通過PLC轉(zhuǎn)發(fā)器將操作命令通過傳輸電線傳輸給LED燈具[20]，LED燈具根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀進行命令執(zhí)行，完成智能照明系統(tǒng)的操控。PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序的操作流程如圖5所示。

智能照明系統(tǒng)的PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序接收到終端的操作指令后，控制LED燈組進行執(zhí)行，當LED燈組接收到操作指令進行執(zhí)行的過程中，如操作指令不正確，會向終端發(fā)出錯誤的信號。如果下達的操作指令是正確的，則利用PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序?qū)⒉僮髦噶钸M行轉(zhuǎn)換，并通過電線發(fā)送到總線上，在規(guī)定時間內(nèi)會收到應答機發(fā)出的操作信號，如果在規(guī)定時間內(nèi)未收到操作信號需要進行重新操作，直至PLC的操作終點給出應答信號。

綜上所述，基于色彩空間及顏色調(diào)節(jié)算法，設計了智能照明PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序，完成了系統(tǒng)的軟件設計。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證基于燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)在功能和性能方面可以滿足用戶的需求，通過測試系統(tǒng)的燈聯(lián)網(wǎng)型測控器，驗證系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)燈聯(lián)網(wǎng)功能，從而與燈聯(lián)網(wǎng)平臺進行通信；利用聯(lián)調(diào)測試對系統(tǒng)的丟包率和延時進行測試。

圖5 智能照明PLC轉(zhuǎn)發(fā)程序Fig.5 Intelligent lighting PLC forwarding program

3.1 燈聯(lián)網(wǎng)型測控器測試

將220 V交流電與4條線路的LED驅(qū)動控制器和1臺燈聯(lián)網(wǎng)型測控器連接，在燈聯(lián)網(wǎng)平臺上注冊并激活TF-LeD模塊，接著將燈聯(lián)網(wǎng)型測控器的網(wǎng)絡通信模塊設置成為協(xié)調(diào)器，搭建組網(wǎng)，最后將燈聯(lián)網(wǎng)型測控器設置成遠程控制模式，利用燈聯(lián)網(wǎng)平臺向已經(jīng)激活的燈聯(lián)網(wǎng)型測控器發(fā)送對調(diào)光和開光的控制命令，當組網(wǎng)接收到控制指令之后，判斷控制器是否可以正確控制燈具，當指令上報之后，在燈聯(lián)網(wǎng)平臺的歷史數(shù)據(jù)中查詢是否存在正確的數(shù)據(jù)上傳，結(jié)果見表1。

表1 燈聯(lián)網(wǎng)平臺的歷史數(shù)據(jù)測試結(jié)果Tab.1 Test results of historical data of lamp networking platform

從表1的結(jié)果可以看出，在燈聯(lián)網(wǎng)平臺的歷史數(shù)據(jù)中，所有數(shù)據(jù)都可以正確上傳，說明基于燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)在燈聯(lián)網(wǎng)型測控器功能上可以滿足用戶的需求。

3.2 性能測試

3.2.1 測試過程

性能測試中，在燈聯(lián)網(wǎng)的支持下搭建系統(tǒng)的服務器環(huán)境，服務器是燈聯(lián)網(wǎng)的主要節(jié)點，節(jié)點之間通常使用千兆網(wǎng)絡實現(xiàn)通信功能，選擇一臺服務器作為代理節(jié)點，將智能合約部署安裝在服務器中，并且合約中已經(jīng)完成了照明策略，其中服務器的相關(guān)配置情況見表2。

表2 服務器配置情況Tab.2 Server configuration

基于表2的配置參數(shù)，管理員或用戶登錄系統(tǒng)，首先進入照明設備管理頁面，注冊接入網(wǎng)絡的照明設備，完成注冊之后配置各項參數(shù)。完成初始配置之后，在系統(tǒng)的控制中心界面測試系統(tǒng)的各項性能，在測試過程中，分別采用定時、感知、組合以及手動控制策略，測試LED照明節(jié)點，并記錄各個照明節(jié)點的運行狀態(tài)，驗證最終的測試結(jié)果。以照明亮度控制為例，效果如圖6所示。

圖6 照明控制系統(tǒng)效果Fig.6 Effect of lighting control system applied

應用照明控制系統(tǒng)后，可根據(jù)現(xiàn)實需求設定智能調(diào)光節(jié)能照明方案，也可根據(jù)天氣、人流車流等條件靈活使用隔站亮燈、輔道關(guān)燈等方案。

3.2.2 測試結(jié)果

根據(jù)照明控制范圍的不同，將智能照明控制命令分為單燈控制測試、區(qū)域控制測試和全局控制測試，每一種測試都采用定時、感知、組合以及手動等控制策略，結(jié)果見表3。

表3 測試結(jié)果Tab.3 Test results

表3的結(jié)果顯示，在3種測試條件下，基于燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)可以精準控制各個照明設備，在定時、感知、組合以及手動4種控制策略下，延時非常短，以毫秒計量，隨著測試范圍的擴大，延時雖然在增加，但是都可以滿足系統(tǒng)的響應需求，并且不會出現(xiàn)丟包情況，能夠在多數(shù)場景中滿足照明要求。

根據(jù)測試目標的數(shù)量不同，同樣將智能照明控制命令分為單燈控制測試、區(qū)域控制測試和全局控制測試，由系統(tǒng)的軟件發(fā)送量測指令，照明設備接收到指令之后將量測數(shù)據(jù)返回，包括電流、有功功率、LED照明亮度等級以及光照強度等信息，結(jié)果見表4。

表4 測試結(jié)果Tab.4 Test results

表4的結(jié)果顯示，燈聯(lián)網(wǎng)平臺向照明設備發(fā)送指令之后，照明設備都可以接收到量測指令并及時回復，也不會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，在單燈控制測試中，成功率達到了100%，其他2種測試分別出現(xiàn)了2次和4次錯誤，即使可以接收到數(shù)據(jù)，也都是空值，原因是這2種測試條件下，數(shù)據(jù)量過大，通信過程中會存在一定干擾。

以上測試結(jié)果表明，基于燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)在功能和性能方面都可以滿足用戶需求，實現(xiàn)照明數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡通信。

4 結(jié)語

本文提出了燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的應用與實現(xiàn)，測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的功能和性能都可以滿足用戶需求。但是本文的研究仍然存在很多不足，在今后的研究中，希望可以對各種控制策略進行完善，滿足用戶對系統(tǒng)的多樣化需求。