基于物联网技术的LED灯光智能控制系统设计

戴文婷,王亚刚,蔡杰杰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



基于物联网技术的LED灯光智能控制系统设计

戴文婷,王亚刚,蔡杰杰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要为了实现节能减排、降低照明能耗,设计了一种基于物联网技术的灯光控制系统。该系统主要由Niagara平台控制器JACE、热释电红外传感器、光敏电阻等硬件设备构成,以Niagara平台进行程序设计。根据人体感应检测和光照强度检测,来调节LED照明开关和亮度。Niagara平台可实现逻辑上的编程,还可远程控制系统,实现工业控制物联网的功能。系统界面能直观体现运行状态和历史数据,经实验测试,系统实现了节能减排、智能控制的目的。

关键词灯光控制;LED照明;Niagara平台;物联网

An Intelligent LED Lighting Control System Based on the Internet of Things

DAI Wenting,WANG Yagang,CAI Jiejie

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science an Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThe paper introduces an intelligent LED lighting control system based on Internet of things technologies.The system hardware consists of JACE controllers based on Niagara platform,the pyro electric infrared sensors,and photo resistors.The program design is based on Niagara.According to the induction of the motion sensor detection and light intensity detection,the control system can judge the input signal and make necessary decision to turn on/off the light automatically and adjusts illumination of the LED.The Niagara platform is capable of both logic programming and remote system control,thus realizing the industrial control networking.The user interface can directly reflect the operating conditions and historical data.Experiment shows that this system achieves intelligent lighting control,energy saving and emissions reduction.

Keywordslighting control;LED lighting;Niagara platform;the Internet of things

随着科技水平的不断发展,智能建筑楼宇在人们的工作和生活中变得越来越重要。在满足使用者的需求前提下,实现建筑能耗最小化是智能楼宇的重要目标之一。目前,我国建筑照明能耗占到整个建筑电量能耗的25%~35%,照明用电约占全国用电量的13%。在大力提倡节能减排的行动中,实现智能光控系统从而降低照明能耗成为必然趋势[1]。

国内公共场所的照明系统大多还是依靠人工来管理,经常会出现白天开灯、无人亮灯等情况。此外,目前主流的照明设备仍然是传统日光灯,使用寿命短、消耗电能大,这些因素都造成了大量的电能浪费。

本文将基于物联网技术实现LED照明系统控制。采用Baja标准的Niagara软件,其是一种通用且具有丰富功能的系统集成式平台,可在设备和Internet之间建立双向通信,实时地进行设备信息传输和控制智能设备[2]。选择更加环保节能的LED照明灯作为硬件设备,通过Web端控制LED灯的开关、亮度,取代了人工控制,真正实现“人来灯开,人走灯灭,随光调灯”的智能光控[3]。

1系统介绍

这套系统主要基于Niagara平台的控制器JACE、热释电红外传感器、光敏电阻等设备构成。本文设计包括两个部分:软件Niagara平台的逻辑控制和硬件配置。

智能照明控制系统中,以自动控制模式为核心,在Niagara平台的控制逻辑下可实现自动控制模式。以人员存在作为输入信号,并根据室内自然光照强度,判断是否开启照明灯。兼容自动和手动控制两种模式,来满足特殊情况下的不同照明要求。Niagara平台可以直观显示各设备运行情况和实时数据情况,当需要逻辑修改时,可在Web端进行远程修改[4]。

系统还附有历史记录表,可查看所有照明设备持续工作时间。当设备临界使用寿命范围内及时更换或维护。还可根据设备工作时间,做出建筑能耗预算,进一步实现智能化楼宇管理。

2系统工作原理

2.1系统设计

系统的主要硬件根据功能可分为人体感应模块、光照强度模块和LED驱动模块。Niagara作为实现控制功能平台,其控制器JACE可将所有非IP装置和总线设备连接到网络上,使设备与云平台进行双向通信。当下位机收集到人员存在、自然光弱等信号上传到上位机,经过Niagara逻辑判断,进行LED驱动,点亮照明设备。同时上位机可进行模式选择,历史数据查看,修改设备状态等功能,运用到下位机上实现逻辑控制[5]。

图1　系统运行流程图

2.2系统运行模式

(1)手动控制模式。在该模式下,管理者可按启动按钮或者停止按钮来手动控制区域内的灯光开光。当进行设备检修或应急状态时可使用该模式;

(2)自动控制模式。在自动调节模式中,照明系统先进行信号检测,人员是否存在,天然光的光强度。当传感器检测到有人员移动,并且照明检测光强<300 lx时,打开设备。若>300 lx,自然光能满足照明需求,无需打开设备;

(3)应急照明模式。照明系统的运行经常与门禁系统和消防系统形成联动,分为疏散照明和警卫照明[6]。照明系统从联动请求信号中提取楼层和区域号,控制照明设备进入应急照明模式;

(4)日程表。为增加系统的使用灵活性,可根据建筑等级和功能,在不同的时间段里来设定照明设备的开关。在节假日或特殊活动日,系统管理员均可通过日程表进行不同时间段和特殊事件的管理,兼容手动调节和日程表自动调节两种控制功能。

3控制系统实现

3.1逻辑编程

系统程序主要分为两类:自动控制程序和手动控制程序。

3.1.1自动控制程序

系统设计的主体是对智能光控的设计,人体感应模块(MotionSensor)和光照强度检测模块(LuminanceSensor)分别可使用布尔模块(Boolean)和数据模块(Numeric)实现。光照检测模块LuminanceSensor的Out输出端接入一个比较逻辑模块(GreaterThan),其目的是使检测出的光强与建筑照明标准值进行比较,以办公建筑普通办公室的照明标准值为300 lx[7],设置InB为标准值300 lx。比较逻辑模块的输出与“非”逻辑块(Not)相连,判断是否要开启设备。将人感模块和光照模块连接至“与”逻辑(And),连接至照明设备。

在照明设备的逻辑设计中,有3个输入值,In10、In12、In16,依次设置其优先级。最高优先级In10连接的是应急照明模式和手动模式,可实现最高优先级制动、紧急照明的功能。次优先级In12连接的是主体自动控制模式,低优先级In16和日程表控制相连,可实现按时按日智能控制。照明设备的扩展功能中提供了持续使用时间(BurnTime),可查看设备使用时间,也可进行时间重置操作。

如图2所示,当光照检测为200 lx时,自然光光强未达标准值,比较逻辑块的输出连接到“非”逻辑块,经过逻辑判断输出True即光强感应模块检测需要开启灯光。此刻,人体感应模块检测有人,整个信号检测模块经逻辑与判断输出True,将该输出连接至LED设备In12输入。按照优先级排列,打开LED设备。

在控制过程中,加入PID控制器进行调节。经过测试,参数设定如下:P值为90,I值在0.8~1.2之间,D值为0.2。在该参数下,实际值到达设定值的调节过程是逐步的,能防止超调过高引起灯光忽高忽低而使人感觉不适。

3.1.2手动控制程序

系统中手动控制模式和应急照明模式,在Niagara都能通过OverrideSwitch布尔功能逻辑模块来实现,模块功能设置如图3所示,可根据模式选择,进行紧急制动或紧急启动,确保建筑内照明安全。

图2　Niagara平台自动控制模式

图3　Niagara平台手动控制模式

3.2硬件配置

(1)LED驱动。LED驱动采用TPS6106X驱动系列,这一系列是带有数字和PWM调光控制的恒流LED驱动器。在其信号频率不变的前提下,改变一个脉冲周期内高电平的时间,改变PWM占空比。使电流源以通或断的重复脉冲序列加载到LED灯上,改变其平均电流,实现LED调光[8-9];

(2)人体感应检测。选取热释电红外传感器,它是一种基于热电效应原理的热电型红外传感器。当人体在传感器检测范围内移动时,传感器能检测出人体辐射的红外线能量的变化,并将其转化为电压信号输出,后续电路经检测后可表示该区域内有人员活动;

(3)光照强度检测。选择光敏电阻作为采集光照信号的传感器,用光敏电阻测出在不同的光照强度下不同的电阻值,在直流电路中串联光敏电阻,根据分压原理不同的电阻值转化为不同的电压值,将对光照信号的处理转化为对电压信号的处理[10]。

4基于Niagara平台的灯控系统仿真

4.1系统界面

系统的界面包括系统总览、模式选择、报警信息、历史记录和日程表。系统总览中包括选择相应楼层的楼层概览图,可直观地显示了每个房间的照明灯开光情况,通过点击相关房间照明指示图进行开关灯操作。在界面上还能进行快速模式选择、日程表查看等操作[11]。

4.2仿真验证

在日程表中,可以查看不同时段的对应状态。图5中显示,在凌晨0点～7点Out为False,在其他工作时间段Out为True。在Special Events选项中,可设置特定日期如节假日、活动日等安排,并具有最高的优先级。

当发生紧急情况时,实时报警状态将会发出闪烁指示灯并提示启动应急照明模式,楼层所有灯光打开。由仿真结果可知,该系统内部功能稳定,能实现相应的控制操作,达到了预期效果。

图4　系统总览

图5　日程表

图6　应急照明模式状态

5结束语

本文重点介绍了LED灯光智能控制系统,对系统各硬件检测功能进行分析,确定逻辑设计方案。其中,人体感应检测模块和光照强度模块,通过Niagara平台的内部逻辑编程,能实现硬件和软件的系统整合。Niagara系统控制界面可直观体现各区域照明状态,兼

容手动、自动以及不同需求下功能模式的转换,为智能化建筑控制提供了良好的系统平台。该系统还需要与智能楼宇的其他控制功能,如门禁系统、消防系统实践相结合来逐步改善。

参考文献

[1]梁佩莹,蔡忠岳,陈培宏.教室灯光智能控制系统的设计[J].电子测量技术,2014,37(9):83-87.

[2]Tridium Corporation.Niagara brochure[EB/OL].(2002-11-29)[2014-10-18]http://www.tridium.com.

[3]王希娟.LED照明智能控制系统设计[J].制造业自动化装置,2012,33(12):128-131.

[4]缑新科,王娟.基于单片机的LED室内照明控制系统[J].工业仪表与自动化装置,2013(1):36-38.

[5]Tridium Corporation.Niagara appliance white paper[EB/OL].(2003-10-20)[2014-11-12] http://www.tridium.com.

[6]Tridium Corporation.Solutions guide[EB/OL].(2009-12-12)[2014-11-29]http://www.niagara-china.com.

[7]肖进.基于Niagara的建筑智能化系统集成的设计与开发[D].济南:山东大学,2011.

[8]王昊辰.高校教学楼智能灯光控制系统设计[D].石家庄:河北科技大学,2014.

[9]中华人民共和国建筑部.GB/50034-2013.建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[10]王易,徐祥柱,黎兆宏,等.一种用于LED驱动的恒流控制电路设计[J].微电子学,2012,42(2):229-232.

[11]程安宁,王晋,尚相荣.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程,2010,18(2):109-111.

中图分类号TP273+.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)03-093-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.024

作者简介:戴文婷(1991—),女,硕士研究生。研究方向:工业控制,物联网。王亚刚(1967—),男,博士后,教授。研究方向:先进预测控制等。

收稿日期:2015- 07- 16