基于LonWorks的LED節能照明控制策略的研究

引言

隨著(zhù)我國城市化水平的不斷提高，能源短缺及環(huán)境問(wèn)題日益突出，節能減排成為了社會(huì )的焦點(diǎn)。據統計，我國能源供求緊張主要表現在電力上，而我國電能總消耗量的1/6用于照明。

智能化照明控制系統，能夠提高系統的管理效率，實(shí)現綠色照明、節能照明。

綠色照明、節能照明是現代社會(huì )發(fā)展的必然趨勢，目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對智能照明控制系統進(jìn)行了較為深入的研究，已提出的智能照明控制系統中實(shí)現的主要控制功能有：場(chǎng)景控制、恒照度控制、定時(shí)控制、就地手動(dòng)控制、群組組合控制、應急處理、遠程控制、圖示化監控、日程計劃安排等。

每種控制功能都有相應的控制策略。景春國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)間內開(kāi)啟與關(guān)閉達到節能的目的，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 )導致能源浪費的問(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合的智能策略，選擇一間典型的辦公室為試驗對象，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )建立模型，根據室內天然光的照度水平，自動(dòng)控制燈具調光輸出和遮陽(yáng)設備狀態(tài)，實(shí)現工作區域恒照度的目標，該策略適用于室內照明，而室外照明需要考慮更多的不穩定因素;劉曉勝等對城市道路照明進(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，該策略通過(guò)場(chǎng)景控制達到提高照明質(zhì)量和節約電能的雙重效果，但沒(méi)有考慮到故障報警的問(wèn)題，影響了整個(gè)系統的智能化程度;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，分析了相應電路的工作原理，找出比較節電的控制方式，著(zhù)重指出適合太陽(yáng)能LED 照明系統的控制方式，該策略通過(guò)合理的LED的控制電路實(shí)現了節能，但缺乏對控制策略的研究。

綜合考慮整個(gè)照明控制系統的控制功能，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，達到綠色照明、節能照明的目的。本文以L(fǎng)ED 燈為被控對象，借助組態(tài)王軟件，結合模糊理論，提出了一種基于LonWorks總線(xiàn)技術(shù)的LED照明控制策略。該策略實(shí)現了照明系統的模塊化控制和遠程監控，提高了照明系統的管理效率，最終實(shí)現了綠色照明、節能照明。

2　基于LonWorks的照明控制系統

本文所提出的基于LonWorks總線(xiàn)技術(shù)的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks總線(xiàn)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)元芯片強大的控制和通信能力等特點(diǎn)，并且是在基于LonWorks總線(xiàn)技術(shù)的照明控制系統中得以實(shí)現的。

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

3　照明控制策略設計與實(shí)現

照明控制策略的設計思路是：首先判斷當日是否是節假日或是否是被設定的需要場(chǎng)景照明的日子，若是則調用場(chǎng)景照明模塊;若不是判斷當日的天氣是否屬于異常天氣，若是就調用異常天氣照明模塊;若不是則按照正常時(shí)間表開(kāi)燈。設計思路流程如圖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)間是根據具體情況進(jìn)行設定的;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為范圍域而不是具體的點(diǎn)值;時(shí)間表是參照不同季節當地日出和日落時(shí)間進(jìn)行的設計;各個(gè)模塊中都設有故障報警和調用省電模式模塊的功能，一旦系統出現故障，管理員將在第一時(shí)間內了解情況，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季節和實(shí)時(shí)的天氣情況設置關(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)。

圖2　設計流程圖

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)需要的光照度設定值進(jìn)行比較，外界環(huán)境光照度的不穩定，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)言的基礎上，所使用的規則更接近人們的思維習慣，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　模糊控制模型的設計原理

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。異常天氣模塊的設計原理是：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，則發(fā)出開(kāi)燈信號給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)信號給采集外界自然光傳感器的控制開(kāi)關(guān)，停止對外界自然光進(jìn)行采集，停止比較，否則，繼續采集外界自然光，繼續比較，直至LED燈開(kāi)啟為止。

模糊控制原理如圖3所示。

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