文│ 嘉興學(xué)院機電工程學(xué)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(chǎn)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(chǎn)品替代普通白熾燈是實現(xiàn)照明節(jié)電最為直接和可行的途徑。在國務(wù)院制定的《公共機構(gòu)節(jié)能“十二五”專項計劃》中，“綠色照明工程”被定義為公共機構(gòu)節(jié)能的重要工程。規(guī)劃要求“十二五”期間，在全國公共機構(gòu)中全面展開綠色照明工作。應(yīng)廣泛使用智能控制裝置等，實現(xiàn)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(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的LED燈光控制系統(tǒng)，采用變照度技術(shù)，進一步實現(xiàn)節(jié)能。

1 室內(nèi)照度要求

照度是室內(nèi)房間照明一個很重要的指標(biāo)。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(xù)工作時會出現(xiàn)視覺疲勞，長此以往將導(dǎo)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(zhì)地外，還有激發(fā)顧客購買欲望，促進銷售的作用。

《工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034－1992）、《民用建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ 133－1990）規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的燈具，由于LED燈具有可調(diào)光性，那就很容易實現(xiàn)這一功能?？梢栽诠饩€不足的時候?qū)ED調(diào)亮一點，也可以在自然光比較充足的時候調(diào)暗LED燈或者關(guān)閉。

2 物聯(lián)網(wǎng)變照度控制

參照物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，本文提出了智能建筑LED燈光物聯(lián)網(wǎng)變照度控制方式，分為室內(nèi)照度智能感知層、智能建筑網(wǎng)絡(luò)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(nèi)照明控制的基礎(chǔ)，目前的室內(nèi)光照度計算方法主要是在燈具、室內(nèi)光反射已知情況下的平均照度計算。本設(shè)計采用如下計算方法。

（1）選擇特定的房間，在房間地面設(shè)計邊長為1m的方網(wǎng)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(shù)據(jù)，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(nèi)有限點A1、 A2、A3、A4… An的光照度，點數(shù)為n，這些點的坐標(biāo)也是已知的，求坐標(biāo)已知的任意一點的照度。在本設(shè)計中采用n輸入1輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模型，利用采樣數(shù)據(jù)進行模型訓(xùn)練。

（3）在建立模型的基礎(chǔ)上，利用已知點光照度和欲求點坐標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，計算該點的光照度。

2.2 智能建筑網(wǎng)絡(luò)層

本設(shè)計的控制網(wǎng)絡(luò)采用兩種無線通信方式：A網(wǎng)和B網(wǎng)。如圖2所示。

A網(wǎng)：用于子節(jié)點和集控器之間的單工通信，集控器發(fā)送，子節(jié)點接收。無線頻段采用433M ASK的調(diào)制方式。編碼方式采用PT2262震蕩電阻為1.5M時的鍵控發(fā)碼，由A網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)。

A網(wǎng)通信模塊分為接收模塊和發(fā)送模塊，如圖3所示。

B網(wǎng)：用于集中控制器之間、集中控制器與監(jiān)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(wǎng)的通信由B網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)，如圖3（c）所示。該模塊為無線串口透明數(shù)據(jù)發(fā)送，利用該模塊進行組網(wǎng)，實現(xiàn)無線介質(zhì)共享、

2.3 變照度智能控制應(yīng)用層

照度控制是本設(shè)計的核心內(nèi)容，控制基本原理如圖4 所示。

（1）室內(nèi)照度預(yù)估

通過測量每個房間4～6個點的照度值，利用室內(nèi)照度預(yù)估模型，預(yù)估出室內(nèi)燈矩陣照度。

（2）室內(nèi)照度控制

按照預(yù)估照度與給定照度的誤差，計算出各燈調(diào)光量。為了簡化控制，本系統(tǒng)假設(shè)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(nèi)部電路通過調(diào)節(jié)PWM改變LED發(fā)光的亮度。

由于本設(shè)計控制器采用小比例系數(shù)的比例控制，因此本系統(tǒng)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(yīng)。同時，本系統(tǒng)存在的靜差也會比較小，控制的相對精確。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

為實現(xiàn)設(shè)計目的，在設(shè)計上采取了分級控制的方案。每個燈具作為系統(tǒng)的子節(jié)點，子節(jié)點由集中控制器控制，集中控制器連接中央控制單元。

子節(jié)點：無線燈光控制的節(jié)點。

集控器：無線節(jié)點集中控制器。

集控軟件：局域網(wǎng)PC機控制軟件。

燈光可通過無線通信和無線節(jié)點集中控制器連接，無線節(jié)點集中控制器可通過局域網(wǎng)連接到局域網(wǎng)服務(wù)器，通過局域網(wǎng)服務(wù)器可以連接外網(wǎng)服務(wù)器，手機、PC等可通過外網(wǎng)服務(wù)器監(jiān)測燈光。如圖5所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計分為兩大部分：節(jié)點模塊、集控模塊。

子節(jié)點的設(shè)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(jù)具體的信號，輸出不同占空比的PWM信號，驅(qū)動燈光，達到調(diào)光的目的；如果解碼無效，不執(zhí)行任何動作。照度檢測模塊主要負責(zé)檢測光通量的變化信號，如果光通量發(fā)生變化，則將信號反饋給CPU，由CPU負責(zé)處理，同時對輸出的PWM進行調(diào)節(jié)。

集控器設(shè)計采用了多CPU協(xié)同處理的技術(shù)，一塊CPU主要負責(zé)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)工作，一塊CPU主要負責(zé)接收觸摸屏的模擬信號，并且轉(zhuǎn)化為控制信號，一塊CPU主要負責(zé)軟編碼，并且進行發(fā)射。

樓控中心集控系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和LED照明技術(shù)，用以解決在不降低室內(nèi)房間照明使用性能的情況下，實現(xiàn)能源的最優(yōu)化管理，最大限度地實現(xiàn)室內(nèi)照明節(jié)能。經(jīng)過實驗驗證和相關(guān)行業(yè)檢測表明：

◆本系統(tǒng)設(shè)計的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠滿足樓宇室內(nèi)照度的控制要求；

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

◆復(fù)合式多頻無線通信網(wǎng)絡(luò)，簡單易行，成本低廉，可靠性高，易于產(chǎn)品化，能夠滿足企業(yè)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(xié)作的集控器設(shè)計，具有較高的穩(wěn)定性和可擴展性，能夠運行較為復(fù)雜光照度控制的任務(wù)；

◆整個LED控制系統(tǒng)成本較低，所產(chǎn)生的產(chǎn)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(tǒng)計數(shù)據(jù)看中國能源現(xiàn)狀[J].中國能源.2005（11）

2 楊清德，康婭.LED及其工程應(yīng)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