燈聯網技術在智能照明系統中的應用與實現

徐巍峰，翁利國

(1.國網浙江杭州市蕭山區供電公司，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，大多數國家都在推行節能減排理念，傳統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，給人們帶來了多樣化的照明體驗感，不僅可以滿足人們日常照明的需求，還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]。因此智能照明系統越來越受到人們的關注，雖然智能照明系統的應用還處于初級研究階段，還沒有被廣泛地應用在工業樓宇與市政等方面，但已然成為未來的一種發展趨勢[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，用來解決傳統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控，實現對激光照明器的熒光片設計，優化激光照明器的整體性能，最終實現激光照明器的窄光束照明。仿真實驗結果表明，基于光線追蹤理論的激光照明光線系統，光源的收集率高達98%，白光的均勻度可達到98.5%，完全解決了傳統激光照明器性能差的問題。傅鵬等[5]在物聯網架構的基礎上，提出了一種智能照明控制系統，用來提高智能家居環境下，照明系統的整體的體驗感。首先，利用智能傳感器采集每個LED等的節點信息，利用WiFi與云端的互聯，實現云端服務器對智能傳感器的控制，終端可以通過Android移動智能設備實現對智能照明系統的控制。實驗結果表明，該系統在滿足人們照明需求的同時，提高了智能家居環境下照明系統的舒適感和藝術性。

基于以上研究存在的問題，本文利用燈聯網技術設計了智能照明系統，從而滿足用戶的需求。

1 智能照明系統硬件設計

1.1 設計燈聯網型測控器

燈聯網型測控器在智能照明系統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換和終端操作的執行。此外，燈聯網型測控器還控制整個智能照明系統的照明回路，還具備云端通信和本地數據存儲等功能[6]。因此，燈聯網型測控器設計較為復雜，燈聯網型測控器的硬件設計主要包括MCU控制器、PWM調光法和WiFi模塊設計3種形式。

燈聯網型測控器，可以通過MCU控制器[7]實現對10條回路照明器的控制。控制模式可分為2種，分別是本地控制和遠程終端控制[8]。燈聯網型測控器主要采用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。燈聯網型測控器的電路原理如圖1所示。

燈聯網型測控器需要對操作指令進行儲存操作，并根據設備的拓撲信息進行參數初始化處理，并根據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，但是內存較小，無法滿足智能照明系統信息儲存的要求。因此，本文利用AT24C512

圖1 燈聯網型測控器的電路原理Fig.1 Circuit principle of lamp networking type measuring and controlling device

增加燈聯網型測控器的儲存空間，實現智能照明系統的本地儲存功能。通過AT24C512與MCU控制器的聯合，提高測控器的存儲能力[9]。燈聯網型測控器儲存模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 燈聯網型測控器儲存模塊的原理Fig.2 Storage module of lamp networked measurement and control device

燈聯網型測控器的主要作用，就是對命令的執行以及智能照明數據的存儲。燈聯網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的傳感器的數據信息。燈聯網型測控器通過智能傳感器接收到的操作指令，經過協議的轉換[10]，再通過互聯網傳送給智能照明系統。

1.2 設計CPU控制電路

智能照明系統的CPU搭建STM32F103RBT6的智能傳感器實現對智能照明系統數據的處理，經過外接晶振，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 智能照明系統軟件設計

2.1 設計色彩空間及顏色調節算法

在智能照明系統的色彩空間領域，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。

智能照明系統的RGB色彩空間：RGB色彩空間是基于LMS色彩空間的基礎上，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，使燈光色彩在呈現的同時不會出現色彩偏差[15-16]。RGB顏色匹配函數如圖4所示。

圖4 RGB顏色匹配函數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值為負數時，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。

智能照明系統的xyY色彩空間：該空間是在RGB空間的基礎上演變而來，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轉發程序

智能照明系統的PLC轉發程序，主要用于接收系統的控制命令，并通過PLC轉發器將操作命令通過傳輸電線傳輸給LED燈具[20]，LED燈具根據接收到的數據幀進行命令執行，完成智能照明系統的操控。PLC轉發程序的操作流程如圖5所示。

智能照明系統的PLC轉發程序接收到終端的操作指令后，控制LED燈組進行執行，當LED燈組接收到操作指令進行執行的過程中，如操作指令不正確，會向終端發出錯誤的信號。如果下達的操作指令是正確的，則利用PLC轉發程序將操作指令進行轉換，并通過電線發送到總線上，在規定時間內會收到應答機發出的操作信號，如果在規定時間內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節算法，設計了智能照明PLC轉發程序，完成了系統的軟件設計。

3 系統測試

為了驗證基于燈聯網技術的智能照明系統在功能和性能方面可以滿足用戶的需求，通過測試系統的燈聯網型測控器，驗證系統是否可以實現燈聯網功能，從而與燈聯網平臺進行通信；利用聯調測試對系統的丟包率和延時進行測試。

圖5 智能照明PLC轉發程序Fig.5 Intelligent lighting PLC forwarding program

3.1 燈聯網型測控器測試

將220 V交流電與4條線路的LED驅動控制器和1臺燈聯網型測控器連接，在燈聯網平臺上注冊并激活TF-LeD模塊，接著將燈聯網型測控器的網絡通信模塊設置成為協調器，搭建組網，最后將燈聯網型測控器設置成遠程控制模式，利用燈聯網平臺向已經激活的燈聯網型測控器發送對調光和開光的控制命令，當組網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，在燈聯網平臺的歷史數據中查詢是否存在正確的數據上傳，結果見表1。

表1 燈聯網平臺的歷史數據測試結果Tab.1 Test results of historical data of lamp networking platform

從表1的結果可以看出，在燈聯網平臺的歷史數據中，所有數據都可以正確上傳，說明基于燈聯網技術的智能照明系統在燈聯網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，在燈聯網的支持下搭建系統的服務器環境，服務器是燈聯網的主要節點，節點之間通常使用千兆網絡實現通信功能，選擇一臺服務器作為代理節點，將智能合約部署安裝在服務器中，并且合約中已經完成了照明策略，其中服務器的相關配置情況見表2。

表2 服務器配置情況Tab.2 Server configuration

基于表2的配置參數，管理員或用戶登錄系統，首先進入照明設備管理頁面，注冊接入網絡的照明設備，完成注冊之后配置各項參數。完成初始配置之后，在系統的控制中心界面測試系統的各項性能，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照明節點，并記錄各個照明節點的運行狀態，驗證最終的測試結果。以照明亮度控制為例，效果如圖6所示。

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

應用照明控制系統后，可根據現實需求設定智能調光節能照明方案，也可根據天氣、人流車流等條件靈活使用隔站亮燈、輔道關燈等方案。

3.2.2 測試結果

根據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，結果見表3。

表3 測試結果Tab.3 Test results

表3的結果顯示，在3種測試條件下，基于燈聯網技術的智能照明系統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的響應需求，并且不會出現丟包情況，能夠在多數場景中滿足照明要求。

根據測試目標的數量不同，同樣將智能照明控制命令分為單燈控制測試、區域控制測試和全局控制測試，由系統的軟件發送量測指令，照明設備接收到指令之后將量測數據返回，包括電流、有功功率、LED照明亮度等級以及光照強度等信息，結果見表4。

表4 測試結果Tab.4 Test results

表4的結果顯示，燈聯網平臺向照明設備發送指令之后，照明設備都可以接收到量測指令并及時回復，也不會出現丟包現象，在單燈控制測試中，成功率達到了100%，其他2種測試分別出現了2次和4次錯誤，即使可以接收到數據，也都是空值，原因是這2種測試條件下，數據量過大，通信過程中會存在一定干擾。

以上測試結果表明，基于燈聯網技術的智能照明系統在功能和性能方面都可以滿足用戶需求，實現照明數據的網絡通信。

4 結語

本文提出了燈聯網技術在智能照明系統中的應用與實現，測試結果顯示，該系統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，滿足用戶對系統的多樣化需求。