基于物聯網的LED室內變照度綠色照明系統

文│ 嘉興學院機電工程學院 柏亞斌 王 斌 趙 云

在我國，照明用電約占全國總用電量的12%，而且以低效照明為主。這些低效照明產品普遍存在著壽命短、耗電量高、維修更換成本高等諸多不足。而使用高效照明產品替代普通白熾燈是實現照明節電最為直接和可行的途徑。在國務院制定的《公共機構節能“十二五”專項計劃》中，“綠色照明工程”被定義為公共機構節能的重要工程。規劃要求“十二五”期間，在全國公共機構中全面展開綠色照明工作。應廣泛使用智能控制裝置等，實現辦公室高效光源使用率100%，LED固體光源使用率10%以上。

為此，本文設計了一種基于物聯網的LED燈光控制系統，采用變照度技術，進一步實現節能。

1 室內照度要求

照度是室內房間照明一個很重要的指標。照度指物體被照亮的程度，即從同一方向看，在給定方向上的任何表面的每單位投影面積上的光照強度（光度）。

照度對工作生活有著重要的影響，視覺場所的照度不足，連續工作時會出現視覺疲勞，長此以往將導致人眼視力下降以及頭暈等心理或生理不適；商場照度，除看清商品細部和質地外，還有激發顧客購買欲望，促進銷售的作用。

《工業企業照明設計標準》（GB 50034－1992）、《民用建筑照明設計標準》（GBJ 133－1990）規定的照度標準值，如表1所示。

對于一幢大樓的不同功能的房間或者對于房間所處的位置不同時，人們對照度的要求是不同于傳統的燈具，由于LED燈具有可調光性，那就很容易實現這一功能。可以在光線不足的時候將LED調亮一點，也可以在自然光比較充足的時候調暗LED燈或者關閉。

2 物聯網變照度控制

參照物聯網的三層結構，本文提出了智能建筑LED燈光物聯網變照度控制方式，分為室內照度智能感知層、智能建筑網絡層、變照度智能控制層。

2.1 房間照度智能感知層

測量房間的照度是對室內照明控制的基礎，目前的室內光照度計算方法主要是在燈具、室內光反射已知情況下的平均照度計算。本設計采用如下計算方法。

（1）選擇特定的房間，在房間地面設計邊長為1m的方網格，如圖1所示，測量每個交叉點的照度。

（2）利用所有檢測點的數據，建立光場模型。通過該模型能夠計算出房間中任何一點的照度。模型的功能可描述為：已知房間內有限點A1、 A2、A3、A4… An的光照度，點數為n，這些點的坐標也是已知的，求坐標已知的任意一點的照度。在本設計中采用n輸入1輸出的BP神經網絡作為模型，利用采樣數據進行模型訓練。

（3）在建立模型的基礎上，利用已知點光照度和欲求點坐標作為神經網絡的輸入，計算該點的光照度。

2.2 智能建筑網絡層

本設計的控制網絡采用兩種無線通信方式：A網和B網。如圖2所示。

A網：用于子節點和集控器之間的單工通信，集控器發送，子節點接收。無線頻段采用433M ASK的調制方式。編碼方式采用PT2262震蕩電阻為1.5M時的鍵控發碼，由A網通信模塊實現。

A網通信模塊分為接收模塊和發送模塊，如圖3所示。

B網：用于集中控制器之間、集中控制器與監控計算機之間的通信，采用以CC1010為核心的無線通信模塊，選擇315M的無線頻段。

B網的通信由B網通信模塊實現，如圖3（c）所示。該模塊為無線串口透明數據發送，利用該模塊進行組網，實現無線介質共享、

2.3 變照度智能控制應用層

照度控制是本設計的核心內容，控制基本原理如圖4 所示。

（1）室內照度預估

通過測量每個房間4～6個點的照度值，利用室內照度預估模型，預估出室內燈矩陣照度。

（2）室內照度控制

按照預估照度與給定照度的誤差，計算出各燈調光量。為了簡化控制，本系統假設各個燈具輸出無耦合，采用比例較小的比例控制。

（3）燈陣列的輸出

各個燈具接受到變化量以后，在內部電路通過調節PWM改變LED發光的亮度。

由于本設計控制器采用小比例系數的比例控制，因此本系統照度的變化比較緩慢。雖然控制器不具備快速性，但是較好的符合人體生理對光變化的逐步適應。同時，本系統存在的靜差也會比較小，控制的相對精確。

3 系統實現

為實現設計目的，在設計上采取了分級控制的方案。每個燈具作為系統的子節點，子節點由集中控制器控制，集中控制器連接中央控制單元。

子節點：無線燈光控制的節點。

集控器：無線節點集中控制器。

集控軟件：局域網PC機控制軟件。

燈光可通過無線通信和無線節點集中控制器連接，無線節點集中控制器可通過局域網連接到局域網服務器，通過局域網服務器可以連接外網服務器，手機、PC等可通過外網服務器監測燈光。如圖5所示。

系統硬件設計分為兩大部分：節點模塊、集控模塊。

子節點的設計主要分為無線接收模塊和照度檢測模塊。無線接收模塊接收無線信號，通過專門解碼芯片對接收到的信號進行解碼。如果解碼有效，通過處理器對解碼信號進行處理，根據具體的信號，輸出不同占空比的PWM信號，驅動燈光，達到調光的目的；如果解碼無效，不執行任何動作。照度檢測模塊主要負責檢測光通量的變化信號，如果光通量發生變化，則將信號反饋給CPU，由CPU負責處理，同時對輸出的PWM進行調節。

集控器設計采用了多CPU協同處理的技術，一塊CPU主要負責物聯網的組網工作，一塊CPU主要負責接收觸摸屏的模擬信號，并且轉化為控制信號，一塊CPU主要負責軟編碼，并且進行發射。

樓控中心集控系統軟件界面如圖6所示。

4 結束語

本設計結合了物聯網技術和LED照明技術，用以解決在不降低室內房間照明使用性能的情況下，實現能源的最優化管理，最大限度地實現室內照明節能。經過實驗驗證和相關行業檢測表明：

◆本系統設計的兩層網絡結構能夠滿足樓宇室內照度的控制要求；

◆照度預估模型能夠基本反映室內不同位置的照度，進一步提高了室內LED照明燈具的控制精度；

◆復合式多頻無線通信網絡，簡單易行，成本低廉，可靠性高，易于產品化，能夠滿足企業的成本要求；

◆變照度控制方法，相比于恒照度的LED照明方式，消耗更少的能量；

◆多CPU協作的集控器設計，具有較高的穩定性和可擴展性，能夠運行較為復雜光照度控制的任務；

◆整個LED控制系統成本較低，所產生的產品附加值高，因而市場化前景好。

1 周慶凡，朱又紅.從世界能源統計數據看中國能源現狀[J].中國能源.2005（11）

2 楊清德，康婭.LED及其工程應用[M].北京：人民郵電出版社, 2007

3 Lee C G，Park C S，Kim J-H，et al.Experimental verfication of optical wireless communication link using high-brightness illumination light-emitting diodes[J].Opt Eng.2007,46(12):1250051-1250057

4 王娜，沈國民.智能建筑概念.北京：中國建筑工程出版社.2010