伊凡·爵， 維尼薩·卡瓦利， 納溫諾歐， 喬西帕克寧

0 引言

研究表明，現(xiàn)代建筑具有很高的節(jié)能潛力，而電照明是其中一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。因?yàn)檎彰鞴?jié)能系統(tǒng)不僅可以保證較高節(jié)能效果，并且改造相對(duì)簡(jiǎn)單。

智能照明系統(tǒng)試圖通過(guò)利用集成傳感器在閉環(huán)控制系統(tǒng)中提供反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。一種常見(jiàn)的節(jié)能技術(shù)是感測(cè)，從集成傳感器獲得反饋。一些智能照明系統(tǒng)也依賴于手動(dòng)控制，以作為感測(cè)的補(bǔ)充。除此之外，還可以采用諸如日光采收和自動(dòng)調(diào)光控制等技術(shù)來(lái)進(jìn)行節(jié)能。但與模擬性能相比，日光采收系統(tǒng)的實(shí)測(cè)性能通常要低得多。并有必要驗(yàn)證在真實(shí)環(huán)境中不同使用模式下的節(jié)能性能，因?yàn)榉抡娼Y(jié)果并不總是能提供真實(shí)世界的精確情況。此外，控制系統(tǒng)的優(yōu)化是保證良好系統(tǒng)性能的重要步驟。

1 節(jié)能技術(shù)

為提供相關(guān)信息反饋到16MHz 8位AVR RISC的微控制器。筆者團(tuán)隊(duì)使用被動(dòng)紅外(PIR)傳感器，測(cè)量從物體輻射的紅外光，以提供關(guān)于其視野內(nèi)的狀態(tài)反饋。當(dāng)一個(gè)人通過(guò)傳感器的視場(chǎng)時(shí)，傳感器會(huì)將所產(chǎn)生的紅外輻射的變化轉(zhuǎn)換成傳感器電壓的變化，從而觸發(fā)檢測(cè)。PIR傳感器用于占用感測(cè)，當(dāng)沒(méi)有視場(chǎng)內(nèi)的用戶時(shí)，對(duì)燈具進(jìn)行編程以自動(dòng)關(guān)閉。允許用戶定義一個(gè)合適的延時(shí)。延時(shí)是來(lái)自PIR傳感器的邏輯高信號(hào)與燈具輸出下降到零之間的時(shí)間差。一個(gè)小的延時(shí)將確保顯著的節(jié)能效果，但房間里的用戶如果在一段時(shí)間內(nèi)靜止不動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致燈具關(guān)閉；一個(gè)較大的延時(shí)將解決這個(gè)問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致節(jié)能效果降低。

團(tuán)隊(duì)還利用了一種光傳感器，為對(duì)可見(jiàn)光譜敏感的硅NPN外延平面光電晶體管。傳感器上的入射照度與集電極光電流成正比。選擇TEM6000環(huán)境光傳感器，可以測(cè)量1 000 nm左右的峰值亮度。傳感器輸出的模擬光電流被轉(zhuǎn)換成一個(gè)可變電壓(0～5V)，通過(guò)連接10K串聯(lián)電阻由微控制器讀出。以一個(gè)帶窗戶的房間為例，白天用戶可以選擇打開(kāi)窗簾，讓陽(yáng)光照亮房間。在這種情況下，人工照明可能是多余的，因?yàn)榉块g有足夠多的光照亮工作空間?？梢岳铆h(huán)境光來(lái)補(bǔ)充現(xiàn)有的照明，這是一種叫做日光采收的技術(shù)。這將導(dǎo)致提高節(jié)能效率，因?yàn)樵谧畲罅炼认聼艟卟恍枰油ā?/p>

1.1 控制算法

控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整燈具狀態(tài)。對(duì)控制系統(tǒng)的用戶定義的輸入是目標(biāo)亮度(SP)、增益(K)、滯后(H)、超時(shí)(τ)和采樣周期(T)。對(duì)控制系統(tǒng)的非用戶可定義的輸入是用戶人數(shù)狀態(tài)[ M(t)]和測(cè)量的亮度[PV(t)]。這些非用戶可定義的輸入是通過(guò)傳感器的反饋獲得的。假定最大環(huán)境光強(qiáng)度在環(huán)境光傳感器的感測(cè)極限之內(nèi)。此外，采樣周期被假定為足夠大以考慮控制器的時(shí)鐘速度。

1.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

可以通過(guò)調(diào)整某些輸入?yún)?shù)優(yōu)化控制系統(tǒng)：增益(K)、滯后(H)、采樣周期(T)。改變這些參數(shù)中的任何一個(gè)將對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)產(chǎn)生影響。

2 智能燈具設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)所提出的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并構(gòu)造了一種智能LED燈具，該智能燈具由LED驅(qū)動(dòng)器、LED串、ZigBee模塊、微控制器和傳感器組成；還設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器模塊，通過(guò)IEEE 802.15.4 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)將環(huán)境光傳感器與智能燈具接口，將環(huán)境光傳感器放置在工作平面而不是燈具上，以允許環(huán)境光傳感器在工作平面高度準(zhǔn)確地收集環(huán)境光數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)了DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器，在每個(gè)通道的最大串電流為700mA時(shí)為8個(gè)LED串供電。使用德克薩斯儀器LM3406恒流Buck變換器作為驅(qū)動(dòng)器的功率控制器。LM3 406包含一個(gè)具有適當(dāng)電流限制的高側(cè)N溝道MOSFET開(kāi)關(guān)。它也有一個(gè)調(diào)光引腳，可以由ATMEGA328微控制器驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)PWM步進(jìn)調(diào)光。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的LED串的亮度與PWM信號(hào)的串電流和占空比成正比。

3 成本分析

微控制器、集成傳感器和無(wú)線模塊的成本占系統(tǒng)總成本的48.83%。為了比較，也給出了近似等效商務(wù)系統(tǒng)的成本。商業(yè)設(shè)置是手動(dòng)調(diào)光的，并且具有集成的PIR傳感器。然而，它沒(méi)有利用本文提出的附加日光采收技術(shù)，并且不包括無(wú)線傳感器模塊。總系統(tǒng)成本被計(jì)算為比商務(wù)系統(tǒng)便宜31.52%。

4 結(jié)束語(yǔ)