基于物联网的LED室内变照度绿色照明系统

文│ 嘉兴学院机电工程学院 柏亚斌 王 斌 赵 云

在我国，照明用电约占全国总用电量的12%，而且以低效照明为主。这些低效照明产品普遍存在着寿命短、耗电量高、维修更换成本高等诸多不足。而使用高效照明产品替代普通白炽灯是实现照明节电最为直接和可行的途径。在国务院制定的《公共机构节能“十二五”专项计划》中，“绿色照明工程”被定义为公共机构节能的重要工程。规划要求“十二五”期间，在全国公共机构中全面展开绿色照明工作。应广泛使用智能控制装置等，实现办公室高效光源使用率100%，LED固体光源使用率10%以上。

为此，本文设计了一种基于物联网的LED灯光控制系统，采用变照度技术，进一步实现节能。

1 室内照度要求

照度是室内房间照明一个很重要的指标。照度指物体被照亮的程度，即从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度（光度）。

照度对工作生活有着重要的影响，视觉场所的照度不足，连续工作时会出现视觉疲劳，长此以往将导致人眼视力下降以及头晕等心理或生理不适；商场照度，除看清商品细部和质地外，还有激发顾客购买欲望，促进销售的作用。

《工业企业照明设计标准》（GB 50034－1992）、《民用建筑照明设计标准》（GBJ 133－1990）规定的照度标准值，如表1所示。

对于一幢大楼的不同功能的房间或者对于房间所处的位置不同时，人们对照度的要求是不同于传统的灯具，由于LED灯具有可调光性，那就很容易实现这一功能。可以在光线不足的时候将LED调亮一点，也可以在自然光比较充足的时候调暗LED灯或者关闭。

2 物联网变照度控制

参照物联网的三层结构，本文提出了智能建筑LED灯光物联网变照度控制方式，分为室内照度智能感知层、智能建筑网络层、变照度智能控制层。

2.1 房间照度智能感知层

测量房间的照度是对室内照明控制的基础，目前的室内光照度计算方法主要是在灯具、室内光反射已知情况下的平均照度计算。本设计采用如下计算方法。

（1）选择特定的房间，在房间地面设计边长为1m的方网格，如图1所示，测量每个交叉点的照度。

（2）利用所有检测点的数据，建立光场模型。通过该模型能够计算出房间中任何一点的照度。模型的功能可描述为：已知房间内有限点A1、 A2、A3、A4… An的光照度，点数为n，这些点的坐标也是已知的，求坐标已知的任意一点的照度。在本设计中采用n输入1输出的BP神经网络作为模型，利用采样数据进行模型训练。

（3）在建立模型的基础上，利用已知点光照度和欲求点坐标作为神经网络的输入，计算该点的光照度。

2.2 智能建筑网络层

本设计的控制网络采用两种无线通信方式：A网和B网。如图2所示。

A网：用于子节点和集控器之间的单工通信，集控器发送，子节点接收。无线频段采用433M ASK的调制方式。编码方式采用PT2262震荡电阻为1.5M时的键控发码，由A网通信模块实现。

A网通信模块分为接收模块和发送模块，如图3所示。

B网：用于集中控制器之间、集中控制器与监控计算机之间的通信，采用以CC1010为核心的无线通信模块，选择315M的无线频段。

B网的通信由B网通信模块实现，如图3（c）所示。该模块为无线串口透明数据发送，利用该模块进行组网，实现无线介质共享、

2.3 变照度智能控制应用层

照度控制是本设计的核心内容，控制基本原理如图4 所示。

（1）室内照度预估

通过测量每个房间4～6个点的照度值，利用室内照度预估模型，预估出室内灯矩阵照度。

（2）室内照度控制

按照预估照度与给定照度的误差，计算出各灯调光量。为了简化控制，本系统假设各个灯具输出无耦合，采用比例较小的比例控制。

（3）灯阵列的输出

各个灯具接受到变化量以后，在内部电路通过调节PWM改变LED发光的亮度。

由于本设计控制器采用小比例系数的比例控制，因此本系统照度的变化比较缓慢。虽然控制器不具备快速性，但是较好的符合人体生理对光变化的逐步适应。同时，本系统存在的静差也会比较小，控制的相对精确。

3 系统实现

为实现设计目的，在设计上采取了分级控制的方案。每个灯具作为系统的子节点，子节点由集中控制器控制，集中控制器连接中央控制单元。

子节点：无线灯光控制的节点。

集控器：无线节点集中控制器。

集控软件：局域网PC机控制软件。

灯光可通过无线通信和无线节点集中控制器连接，无线节点集中控制器可通过局域网连接到局域网服务器，通过局域网服务器可以连接外网服务器，手机、PC等可通过外网服务器监测灯光。如图5所示。

系统硬件设计分为两大部分：节点模块、集控模块。

子节点的设计主要分为无线接收模块和照度检测模块。无线接收模块接收无线信号，通过专门解码芯片对接收到的信号进行解码。如果解码有效，通过处理器对解码信号进行处理，根据具体的信号，输出不同占空比的PWM信号，驱动灯光，达到调光的目的；如果解码无效，不执行任何动作。照度检测模块主要负责检测光通量的变化信号，如果光通量发生变化，则将信号反馈给CPU，由CPU负责处理，同时对输出的PWM进行调节。

集控器设计采用了多CPU协同处理的技术，一块CPU主要负责物联网的组网工作，一块CPU主要负责接收触摸屏的模拟信号，并且转化为控制信号，一块CPU主要负责软编码，并且进行发射。

楼控中心集控系统软件界面如图6所示。

4 结束语

本设计结合了物联网技术和LED照明技术，用以解决在不降低室内房间照明使用性能的情况下，实现能源的最优化管理，最大限度地实现室内照明节能。经过实验验证和相关行业检测表明：

◆本系统设计的两层网络结构能够满足楼宇室内照度的控制要求；

◆照度预估模型能够基本反映室内不同位置的照度，进一步提高了室内LED照明灯具的控制精度；

◆复合式多频无线通信网络，简单易行，成本低廉，可靠性高，易于产品化，能够满足企业的成本要求；

◆变照度控制方法，相比于恒照度的LED照明方式，消耗更少的能量；

◆多CPU协作的集控器设计，具有较高的稳定性和可扩展性，能够运行较为复杂光照度控制的任务；

◆整个LED控制系统成本较低，所产生的产品附加值高，因而市场化前景好。

1 周庆凡，朱又红.从世界能源统计数据看中国能源现状[J].中国能源.2005（11）

2 杨清德，康娅.LED及其工程应用[M].北京：人民邮电出版社, 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，沈国民.智能建筑概念.北京：中国建筑工程出版社.2010