无线单片机在建筑节能照明中的应用分析

谭艳梅

引言：为提高建筑电气照明的管理水平，节省电能消耗，在分析了物联网路灯等效模型的基础上，利用无线单片机提出了一种适用于物联网建筑照明的模糊控制策略。当光照强度不高于限值时，模糊控制器可根据建筑内人流动情况对照明灯端电压进行调节，调整对应照明灯的亮度，节约电能，同时，通过模糊控制器中的电压、电流反馈，对照明灯运行状态进行远程监控，提高了管理和维护效率。

随着物联网技术在智能建筑中的应用，利用物联网方案实现照明灯管理与控制已成为可能，为此，在物联网通信的基础上，选择一种可靠性较高、控制灵活、便于实现的控制策略是照明灯智能调控的前提。

一、 物联网照明灯的等效模型

物联网强调对象的可控性，对物联网照明灯模型的分析，有助于提出合理可靠的控制及管理方案。物联网照明灯的管理和控制主要通过无线通信及对应的软硬件支持。单个照明灯由对应的终端节点控制，在一定的地域范围内，各控制终端节点通过无线路由联系在一起。同时，在该建筑区域内设置人流动信息采集装置，无线路由将所辖范围建筑物内人流动及照明灯运行信息经GPRS传给管理计算机，通过模糊控制算法，对不同区域的照明灯进行动态调节。

为实现照明灯的可控性，其关键有：（1）无线通信及协议规范。照明灯的地理位置分散，采用无线通信实现照明灯的远程控制是必要的。考虑到当前的无线通信的成本、传输速率、可靠性等，可采用ZigBee+GPRS通信的模式。一方面通过Zigbee通信控制照明灯节点的亮度变化，另一方面将照明灯运行状况（端电压、电流检测数据）和建筑物内参数（对应楼道、路面人流信息）通过ZigBee多跳传输，利用无线路由作为纽带传给监控中心计算机，根据模糊控制算法，反馈调节当前照明灯的亮度。对于不同建筑物内路由节点的照明灯控制，可采用“一主多从”的应答管理方式。从站（某建筑物的路由节点）利用GPRS通信向主站（监控计算机）发送照明灯运行状况和建筑物内人流信息数据，待到计算机分析完数据，准备发出控制指令，唤醒对应建筑物所负责的路由节点，监控计算机对该路由节点发送控制指令，经Zigbee，各照明灯终端控制器调节照明灯亮度。

（2）建筑物附近人流信息的采集和模糊知识库的建立。监控摄像头对特定区域进行通行量统计，并结合所在区域随时间变化照明灯开关时间、照明灯开启所需光强要求等建立模糊知识库，为模糊控制提供参考阀值。光强检测、照明燈端电压及电流大小通过ZigBee+GPRS网络传给监控计算机，根据建立的模糊知识库，对采集到的数据信息进行模糊分析，适时对照明灯亮度做出控制。

二、物联网照明灯的模糊控制器设计

1、目标特征量的获取

目标特征量的获取主要是光照强度和建筑物负责区域人流通行量大小的确定，在这里，光照强度具有较高的优先度，即若光照强度高于某个限制，而建筑物负责区域人流通行量大小不作为控制照明灯开关状态的关键标准。

（1）光照强度信息的获取：利用专用的光照强度传感器，一个照明灯节点负责的照明灯区域可根据覆盖面积选择一定数量的测量节点，这样，当一个测量节点数据有误时，可剔除该节点测量值，利用其他测量节点对照明灯进行调控。

（2）当光强低于限值时，建筑物附近通行量获取：利用监控摄像头和高清卡口获取建筑物附近行人、车辆等信息，并根据文献提供的组合预测算法，可实现某区域通行量的获取。

2、照明灯模糊控制器设计

照明灯的模糊控制是通过分析通行量和光照强度调节照明灯端电压，实现照明灯亮度控制，利用模糊规则表示为：

Rk：if Mk is Ak and Ik is Bk

then Uk is Ck

其中，Mk、Ik、Uk分别为第k次采样通行量、光照强度、端电压；Ak、Bk、Ck分别为第k次采样通行量量值、光照强度值、端电压大小。

3、 照明灯模糊控制流程

照明灯模糊控制的目的在于通过计算机语言实现端电压控制，其基本的控制流程如图所示。首先进行光照强度检测，当光强不高于某光照强度时（在这里取15lx），进行通行量检测，另外对无线路由等节点进行初始化，采取试探法，确保每个照明灯节点连接到ZigBee网络上，根据此，由模糊控制器输出对应照明灯的控制端电压，终端控制器根据模糊控制器指令，调节端电压值。

图1 照明灯的模糊控制流程

三、 照明灯模糊控制的合理性分析

为对控制策略的合理性分析，可通过对比传统的定时控制和模糊控制算法来体现模糊控制的合理性。

1、耗电量分析

为了说明耗电的优越性，以路灯控制为例，重庆夏季晚上19：30开灯、次日早上5：30关灯，以单盏路灯400W计算，重庆主城主干道约12万盏路灯，共计单日耗电48万kW；而采用模糊控制器，对整夜路灯亮度按通行量大小进行调整，19：30～24：30和4：30～5：30为预计的通行高峰，此时段路灯调节处在额定功率范围，而其他时段，通行量较少，可调压至200W照明，这样单日耗电约为38万kW，与传统调控方式相比，模糊控制策略单日耗电节省约10万kW.

2、照明灯维护、管理分析

对建筑物辖区内照明灯进行逐一故障排查，耗费大量的人力物力，且实时性较差，采用如图2所示的模糊控制器，在控制器的反馈回路检测照明灯的电流、端电压值，这样就能知道每盏照明灯的工作状态。在监控计算机终端进行设置照明灯状态监控，对于存在的异常电流电压值可自动提取，按照照明灯的编号，快速确定故障照明灯所在位置，提高管理和维护效率。

总之，物联网照明灯的模糊控制能提高照明灯的管理、节约电能消耗，但是也存在一些不足，例如，建筑物附近人流通行都需要进行统计积累，建立可靠的评价数据，保证模糊推理的准确性，为此，对于照明灯的远程智能控制还需要不断的探索和努力。

参考文献

[1]张伟， 王宏刚， 程培温. 基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究[J]. 计算机测量与控制， 2010， 18（9）.

[2]彭昊. 基于城市交通流量组合预测模型的模糊控制系统研究[D]. 长沙： 中南大学， 2009.

（作者单位： 广西机电职业技术学院）