基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

　　摘要：提高照明系統(tǒng)的管理效率及照明質(zhì)量，能夠滿足在不同場(chǎng)合、不同時(shí)間下人們對(duì)照明效果的要求，實(shí)現(xiàn)綠色照明、節(jié)能照明。借助組態(tài)王軟件，完成各控制模塊以及監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，并在異常天氣模塊中引入了模糊控制理論;以LonWorks總線技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并對(duì)智能節(jié)點(diǎn)所屬的LON與上位機(jī)所屬的LAN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的LED節(jié)能照明控制策略。該策略有效地解決了以往照明控制策略中的由于外界光照度不穩(wěn)定引起的在不準(zhǔn)確時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)燈、場(chǎng)景照明不夠靈活等問(wèn)題。滿足了人們對(duì)場(chǎng)景照明的要求，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率。

　　1　引言

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)能源供求緊張主要表現(xiàn)在電力上，而我國(guó)電能總消耗量的1/6用于照明。綠色照明、節(jié)能照明是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　每種控制功能都有相應(yīng)的控制策略。景春國(guó)等研究了異常天氣時(shí)按日出日落時(shí)間控制路燈時(shí)所存在的路燈不能提前打開(kāi)和延遲關(guān)閉的問(wèn)題，提出了采用SCADA系統(tǒng)的城市路燈自動(dòng)控制策略，該策略通過(guò)控制照明光源在合適的時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟與關(guān)閉達(dá)到節(jié)能的目的，但沒(méi)有考慮到整個(gè)照明過(guò)程中照明光源的光照度不合適也會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)的問(wèn)題;王金光等以“綠色照明”為出發(fā)點(diǎn)，提出了一個(gè)天然采光和人工照明相結(jié)合的智能策略，選擇一間典型的辦公室為試驗(yàn)對(duì)象，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，根據(jù)室內(nèi)天然光的照度水平，自動(dòng)控制燈具調(diào)光輸出和遮陽(yáng)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域恒照度的目標(biāo)，該策略適用于室內(nèi)照明，而室外照明需要考慮更多的不穩(wěn)定因素;劉曉勝等對(duì)城市道路照明進(jìn)行了研究，提出了一種場(chǎng)景照明控制策略，并將其實(shí)現(xiàn)，該策略通過(guò)場(chǎng)景控制達(dá)到提高照明質(zhì)量和節(jié)約電能的雙重效果，但沒(méi)有考慮到故障報(bào)警的問(wèn)題，影響了整個(gè)系統(tǒng)的智能化程度;陳鳴等研究了綠色照明光源LED的控制策略，主要討論了幾種LED控制方式，分析了相應(yīng)電路的工作原理，找出比較節(jié)電的控制方式，著重指出適合太陽(yáng)能LED 照明系統(tǒng)的控制方式，該策略通過(guò)合理的LED的控制電路實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但缺乏對(duì)控制策略的研究。

　　綜合考慮整個(gè)照明控制系統(tǒng)的控制功能，通過(guò)異常天氣情況下能夠及時(shí)無(wú)誤地開(kāi)、關(guān)燈以及場(chǎng)景照明的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到綠色照明、節(jié)能照明的目的。本文以LED 燈為被控對(duì)象，借助組態(tài)王軟件，結(jié)合模糊理論，提出了一種基于LonWorks總線技術(shù)的LED照明控制策略。該策略實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率，最終實(shí)現(xiàn)了綠色照明、節(jié)能照明。

　　2　基于LonWorks的照明控制系統(tǒng)

　　本文所提出的基于LonWorks總線技術(shù)的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks總線技術(shù)的介質(zhì)多樣性、通信協(xié)議開(kāi)放性、核心器件神經(jīng)元芯片強(qiáng)大的控制和通信能力等特點(diǎn)，并且是在基于LonWorks總線技術(shù)的照明控制系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)的。

　　基于LonWorks總線技術(shù)的照明控制系統(tǒng)主要由3部分組成：上位機(jī)、下位機(jī)和路由器。在上位機(jī)上，借助組態(tài)王軟件，完成各功能模塊(照明控制策略)以及監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，各功能模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)監(jiān)控界面顯示給管理員及用戶，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ);在下位機(jī)上，借助節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具Node Builder，完成智能節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行被控對(duì)象LED 燈及光照度傳感器LonWorks與網(wǎng)絡(luò)(LON)的連接;上位機(jī)所屬的LAN采用的是TCP/IP協(xié)議，下位機(jī)所屬的LON采用的是LonTalk協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)上的LED燈的控制參數(shù)值與各功能模塊對(duì)應(yīng)參數(shù)值之間的交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，因而必須進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，路由器完成了LonTalk與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了LON與LAN的集成。整個(gè)控制系統(tǒng)的框架如圖1所示。

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　　3　照明控制策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　照明控制策略的設(shè)計(jì)思路是：首先判斷當(dāng)日是否是節(jié)假日或是否是被設(shè)定的需要場(chǎng)景照明的日子，若是則調(diào)用場(chǎng)景照明模塊;若不是判斷當(dāng)日的天氣是否屬于異常天氣，若是就調(diào)用異常天氣照明模塊;若不是則按照正常時(shí)間表開(kāi)燈。設(shè)計(jì)思路流程如圖2所示。場(chǎng)景照明模塊具有綜合性和靈活性，不同路段燈的控制變量是不同的，燈的具體亮暗度、色彩以及不同場(chǎng)合開(kāi)關(guān)時(shí)間是根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定的;異常天氣模塊中引入了模糊控制理論，將開(kāi)燈所要求的光照度設(shè)為范圍域而不是具體的點(diǎn)值;時(shí)間表是參照不同季節(jié)當(dāng)?shù)厝粘龊腿章鋾r(shí)間進(jìn)行的設(shè)計(jì);各個(gè)模塊中都設(shè)有故障報(bào)警和調(diào)用省電模式模塊的功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，管理員將在第一時(shí)間內(nèi)了解情況，近午夜時(shí)分，人流量變小，切換為省電模式，并在省電模式模塊里按照相應(yīng)季節(jié)和實(shí)時(shí)的天氣情況設(shè)置關(guān)燈時(shí)間;該策略借助組態(tài)王軟件，完成了各功能模塊程序代碼的編寫(xiě)。

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　　圖2　設(shè)計(jì)流程圖

　　異常天氣的判斷需要將外界環(huán)境的光照度值與開(kāi)、關(guān)燈時(shí)需要的光照度設(shè)定值進(jìn)行比較，外界環(huán)境光照度的不穩(wěn)定，會(huì)引起在不合適的時(shí)間點(diǎn)開(kāi)、關(guān)燈。模糊理論的描述是建立在自然語(yǔ)言的基礎(chǔ)上，所使用的規(guī)則更接近人們的思維習(xí)慣，模糊推理過(guò)程是采用模糊邏輯由給定輸入映射到輸出的過(guò)程，不需要精確的模型。在異常天氣的情況下，為了能夠及時(shí)、無(wú)誤地控制燈的開(kāi)與關(guān)，本文根據(jù)模糊控制理論來(lái)建立異常天氣模塊的控制模型。

　　3.1　模糊控制模型的設(shè)計(jì)原理

　　模糊控制模型的核心是模糊推理，而模糊推理的實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸入為e和ec、輸出為Eo的控制模型。異常天氣模塊的設(shè)計(jì)原理是：將外界環(huán)境的光照度與開(kāi)燈所需要的光照度設(shè)定值進(jìn)行比較，將得到的差值e及差值變化率ec作為模糊推理部分的輸入量，通過(guò)模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊化，得到輸出量Eo;將Eo直接作用在LED燈上，如果Eo在允許開(kāi)燈的閾值內(nèi)，則發(fā)出開(kāi)燈信號(hào)給LED燈，LED燈開(kāi)啟，否則，LED燈仍然處于關(guān)閉狀態(tài);如果LED燈開(kāi)啟后則發(fā)信號(hào)給采集外界自然光傳感器的控制開(kāi)關(guān)，停止對(duì)外界自然光進(jìn)行采集，停止比較，否則，繼續(xù)采集外界自然光，繼續(xù)比較，直至LED燈開(kāi)啟為止。

　　模糊控制原理如圖3所示。

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　　3.2　模糊推理

　　照度偏差函數(shù)E：

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　　式中：θt(k)為外界環(huán)境的實(shí)際光照度;θ(k)為設(shè)定的光照度值。

　　照度偏差變化率函數(shù)EC：

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　　式中：T為采樣周期。

　　e的基本論域?yàn)閇0.500]，語(yǔ)言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本論域?yàn)閇-25,25]，語(yǔ)言變量EC的論域B=[NB,NS,Z,PS,PB];輸出函數(shù)eo的基本論域?yàn)閇-1,1]，語(yǔ)言變量Eo的論域Z=[N,Z,P]。輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形，圖4所示為E，EC，Eo的隸屬度函數(shù)表。對(duì)于兩輸入單輸出的模糊控制模型而言，控制規(guī)則可以寫(xiě)成：

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　　模糊控制規(guī)則表如表1所示，模糊控制的空間分布如圖5所示。

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