基于LonWorks的LED節(jié)能照明控制策略的研究

　　摘要：提高照明系統(tǒng)的管理效率及照明質量，能夠滿足在不同場合、不同時間下人們對照明效果的要求，實現(xiàn)綠色照明、節(jié)能照明。借助組態(tài)王軟件，完成各控制模塊以及監(jiān)控界面的設計，并在異常天氣模塊中引入了模糊控制理論;以LonWorks總線技術為基礎，對智能節(jié)點進行開發(fā)，并對智能節(jié)點所屬的LON與上位機所屬的LAN進行網(wǎng)絡集成，提出了一種基于LonWorks總線技術的 LED節(jié)能照明控制策略。該策略有效地解決了以往照明控制策略中的由于外界光照度不穩(wěn)定引起的在不準確時間內開關燈、場景照明不夠靈活等問題。滿足了人們對場景照明的要求，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率。

　　1　引言

　　據(jù)統(tǒng)計，我國能源供求緊張主要表現(xiàn)在電力上，而我國電能總消耗量的1/6用于照明。綠色照明、節(jié)能照明是現(xiàn)代社會發(fā)展的必然趨勢。

　　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按日出日落時間控制路燈時所存在的路燈不能提前打開和延遲關閉的問題，提出了采用SCADA系統(tǒng)的城市路燈自動控制策略，該策略通過控制照明光源在合適的時間內開啟與關閉達到節(jié)能的目的，但沒有考慮到整個照明過程中照明光源的光照度不合適也會導致能源浪費的問題;王金光等以“綠色照明”為出發(fā)點，提出了一個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)絡建立模型，根據(jù)室內天然光的照度水平，自動控制燈具調光輸出和遮陽設備狀態(tài)，實現(xiàn)工作區(qū)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(wěn)定因素;劉曉勝等對城市道路照明進行了研究，提出了一種場景照明控制策略，并將其實現(xiàn)，該策略通過場景控制達到提高照明質量和節(jié)約電能的雙重效果，但沒有考慮到故障報警的問題，影響了整個系統(tǒng)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(jié)電的控制方式，著重指出適合太陽能LED 照明系統(tǒng)的控制方式，該策略通過合理的LED的控制電路實現(xiàn)了節(jié)能，但缺乏對控制策略的研究。

　　綜合考慮整個照明控制系統(tǒng)的控制功能，通過異常天氣情況下能夠及時無誤地開、關燈以及場景照明的實現(xiàn)，達到綠色照明、節(jié)能照明的目的。本文以LED 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總線技術的LED照明控制策略。該策略實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的模塊化控制和遠程監(jiān)控，提高了照明系統(tǒng)的管理效率，最終實現(xiàn)了綠色照明、節(jié)能照明。

　　2　基于LonWorks的照明控制系統(tǒng)

　　本文所提出的基于LonWorks總線技術的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks總線技術的介質多樣性、通信協(xié)議開放性、核心器件神經(jīng)元芯片強大的控制和通信能力等特點，并且是在基于LonWorks總線技術的照明控制系統(tǒng)中得以實現(xiàn)的。

　　基于LonWorks總線技術的照明控制系統(tǒng)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(jiān)控界面的設計，各功能模塊所要實現(xiàn)的功能通過監(jiān)控界面顯示給管理員及用戶，為系統(tǒng)的遠程監(jiān)控提供基礎;在下位機上，借助節(jié)點開發(fā)工具Node Builder，完成智能節(jié)點的開發(fā)，進行被控對象LED 燈及光照度傳感器LonWorks與網(wǎng)絡(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，為了實現(xiàn)智能節(jié)點上的LED燈的控制參數(shù)值與各功能模塊對應參數(shù)值之間的交換，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制，因而必須進行協(xié)議轉換，路由器完成了LonTalk與TCP/IP協(xié)議之間的轉換，實現(xiàn)了LON與LAN的集成。整個控制系統(tǒng)的框架如圖1所示。

　　3　照明控制策略設計與實現(xiàn)

　　照明控制策略的設計思路是：首先判斷當日是否是節(jié)假日或是否是被設定的需要場景照明的日子，若是則調用場景照明模塊;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間表開燈。設計思路流程如圖2所示。場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、色彩以及不同場合開關時間是根據(jù)具體情況進行設定的;異常天氣模塊中引入了模糊控制理論，將開燈所要求的光照度設為范圍域而不是具體的點值;時間表是參照不同季節(jié)當?shù)厝粘龊腿章鋾r間進行的設計;各個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(tǒng)出現(xiàn)故障，管理員將在第一時間內了解情況，近午夜時分，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(jié)和實時的天氣情況設置關燈時間;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。

　　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、關燈時需要的光照度設定值進行比較，外界環(huán)境光照度的不穩(wěn)定，會引起在不合適的時間點開、關燈。模糊理論的描述是建立在自然語言的基礎上，所使用的規(guī)則更接近人們的思維習慣，模糊推理過程是采用模糊邏輯由給定輸入映射到輸出的過程，不需要精確的模型。在異常天氣的情況下，為了能夠及時、無誤地控制燈的開與關，本文根據(jù)模糊控制理論來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，而模糊推理的實質是一個輸入為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)境的光照度與開燈所需要的光照度設定值進行比較，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，通過模糊規(guī)則表進行模糊化，得到輸出量Eo;將Eo直接作用在LED燈上，如果Eo在允許開燈的閾值內，則發(fā)出開燈信號給LED燈，LED燈開啟，否則，LED燈仍然處于關閉狀態(tài);如果LED燈開啟后則發(fā)信號給采集外界自然光傳感器的控制開關，停止對外界自然光進行采集，停止比較，否則，繼續(xù)采集外界自然光，繼續(xù)比較，直至LED燈開啟為止。

　　模糊控制原理如圖3所示。

　　3.2　模糊推理

　　照度偏差函數(shù)E：

　　式中：θt(k)為外界環(huán)境的實際光照度;θ(k)為設定的光照度值。

　　照度偏差變化率函數(shù)EC：

　　式中：T為采樣周期。

　　e的基本論域為[0.500]，語言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本論域為[-25,25]，語言變量EC的論域B=[NB,NS,Z,PS,PB];輸出函數(shù)eo的基本論域為[-1,1]，語言變量Eo的論域Z=[N,Z,P]。輸入、輸出變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形，圖4所示為E，EC，Eo的隸屬度函數(shù)表。對于兩輸入單輸出的模糊控制模型而言，控制規(guī)則可以寫成：