市政照明工程中的网络化集中控制照明系统设计

2022-08-01张煜奇

光源与照明 2022年3期

张煜奇

天津海河金岸投资建设开发有限公司，天津 300350

0 引言

网络化集中控制照明系统是市政照明工程的核心技术，系统集中控制照明功能直接关系到市政照明工程建设的质量及照明效果。近几年城市化进程不断推进，市政照明工程规模不断扩大，对市政照明工程要求也不断提高。以节能、绿色、降耗为思想理念的照明系统，是市政照明工程建设中的重要组成部分[1]。相关统计资料显示，2017 年全国各个城市的市政照明用电量已经超过了35%，比2016 年增长了1.36%，说明国内市政照明用电消耗量不断增加，非常不利于城市的可持续化发展。为了降低市政照明用电量，相关学者开始关注并研究网络化集中控制照明系统，试图开发出一种可以对市政照明进行集中化管控的系统，既满足市政照明需求，又能够降低能源消耗。虽然取得了一定的研究成果，但是现有的照明系统在实际应用中的控制效果仍然比较差，节约用电量比较低[2]。这是因为传统系统采用的是荧光灯，荧光灯虽然光照强度比较高，但是耗电量比较大；此外，传统系统是将开关安装在靠近回路处，用来实现网络化集中控制照明，这种控制方式难以满足在现场灵活控制照明的要求，从而导致系统用电量比较大。为此，文章主要研究市政照明工程中的网络化集中控制照明系统的设计。

1 网络化集中控制照明系统硬件设计

在传统系统硬件基础上，对控制器、灯具以及传感器等硬件设备进行选型与设计，组建系统硬件结构，如图1 所示。

图1 系统硬件拓扑结构图

如图1 所示，控制器是系统的核心硬件设备，是系统实现网络化集中控制照明功能的主要设备，通过控制器可以管控系统中照明灯具的关闭、启动、移除，以及照明参数。系统通过通信模块自组无线网络，将控制器、光敏传感器及LED 灯具连接在同一个局域网中，由控制器向传感器和LED 灯具发出控制命令，将控制命令发送到LED 灯具后，LED 灯具上的微处理器执行相关操作，将控制命令转变为R-LED（亮度）、G-LED（光效）、B-LED（色温）三个照明控制变量，由三个照明控制变量对LED 灯具的相应技术参数进行调节和控制[3]。输入光敏传感器的电流可以触发光敏传感器，使其采集LED 灯具的照明数据，并反馈给控制器，再由控制器形成新的控制命令并发送出去，按照该流程周期性控制照明。

1.1 控制器选型与设计

根据该系统的功能需求，控制器需要具备功耗低、引脚接口丰富等优点，为此选择型号为IHSFB-5525 的控制器。该控制器内置具有无线蓝牙功能的UBFH26214芯片，还具有六路脉冲宽度调制调光模块，符合网络化集中控制照明系统设计要求。该控制器提供了丰富的外围接口，包括I2C 接口、SPI 接口、UART 接口、PWM 接口及ADC 接口。其中，I2C 接口用于连接控制器与系统外设通信设备；SPI 接口用于接收系统控制程序拷贝信息；UART 接口用于接收打印串口log 信息；PWM 接口用于接收脉冲宽度调制信息；ADC 接口用于接收光敏传感器采集的光源信息[4]。控制器中的PWR 电源开关负责控制器供电。在控制器上设计了WH1 按钮和WH2 指示灯。WH1 按钮为网络清除键，长按WH1 按钮5 s 以上，可以清除控制器中所有历史网络信息。WH2 指示灯是控制器指示灯，当控制器向LED 灯具或者光敏传感器发送控制命令时，WH2 指示灯处于绿色闪烁状态；当控制命令发送成功并被执行后，指示灯由绿色闪烁状态转变为黄色闪烁状态；当控制器与系统通信网络建立了连接后，指示灯为白色闪烁状态，通过不同光色表示控制器工作状态。

1.2 灯具选型与设计

考虑到系统节能降耗的需求，选择LED 灯具作为系统灯具，代替传统系统的荧光灯。LED 灯具单只光源功率仅为17.5 W，功率因数大于0.85，显色指数大于92，可以满足系统设计要求[5]。采用分离式技术将LED 灯管的驱动方式设计为直流驱动方式，将LED 灯管的左侧触点作为直流输入正极，将灯管的右侧触点作为直流输入负极，将直流恒流驱动电源的正极与灯管正极相连，将其负极与灯管负极相连，驱动电源直流电流为240 mA。直流驱动方式有利于对LED 灯具的集中控制，还能帮助LED 灯具更好地散热。

1.3 光敏传感器选型与设计

系统光照强度需要满足相关国家标准，光照强度不能低于国家规定要求，同时要满足市政照明需求；光照强度也不宜过高，光照强度过高会增加照明耗电量。对此，在系统中采用IHDDF-2552 型光敏传感器[6]。在系统中安插光敏传感器，可以实时感应LED 灯具光照强度，通过内置的IHGF 光敏元件将感应到的光信号转换为电信号，信号输出形式为数字开关量输出。设置光线强度阈值后输出转换后的电信号，当LED 灯具光照强度超过设定阈值时，输出低电平，对应的数字开关量输出为0，表示此时LED 灯具光照强度过高，需要关闭其开关，或者降低其光照强度；当LED灯具光线强度未超过设定阈值时，输出高电平，对应的数字开关量输出为1，表示无须对该LED 灯具进行控制。

2 网络化集中控制照明系统软件设计

采用模糊控制算法对系统LED 灯具进行网络化集中控制。在系统设计中，将LED 灯具光照强度作为模糊控制对象，将LED 灯具光照强度值的偏差作为输入变量1，将LED 灯具光照强度值偏差变化率作为输入变量2，将LED 灯具开关导通占空比的增量作为输出变量3，将增量值作为新的LED 灯具开关导通占空比来驱动LED 灯具，以此调节LED 灯具光照强度，实现网络化集中控制照明，其实现过程如下。

将两个输入变量进行模糊化处理，针对LED 灯具光照强度值的偏差选定五个模糊子集，其表示如下：

式中：H为LED 灯具光照强度值的偏差模糊集合；nb为LED 灯具光照强度值的偏差为负大；ns为LED灯具光照强度值的偏差为负小；zo为LED 灯具光照强度值的偏差为零；ps为LED 灯具光照强度值的偏差为正小；pb为LED 灯具光照强度值的偏差为正大[7]。利用以上五个模糊子集涵盖LED 灯具光照强度值的偏差变量输入范围。

同样选定五个模糊子集描述LED 灯具光照强度值偏差变化率，其公式表示为

式中：K为LED 灯具光照强度值偏差变化率模糊集合；nb、ns、zo、ps、pb分别为LED 灯具光照强度值偏差变化率负大、负小、零、正小、正大。

对于模糊输出变量LED 灯具开关导通占空比的增量选定九个模糊子集，用公式表示为

式中：BUN为LED 灯具开关导通占空比的增量模糊集合；nm为LED 灯具开关导通占空比的增量为负中；nl为LED 灯具开关导通占空比的增量为负超小；pm为LED 灯具开关导通占空比的增量为正中；pl为LED 灯具开关导通占空比的增量为正超大[8]。

根据以上内容对控制变量和输出变量选定的模糊子集设计模糊规则，如表1 所示。

对照表1 得出LED 灯具开关导通占空比的增量模糊子集，由于该子集无法被系统识别，需要对输出的模糊子集进行去模糊化处理，其处理公式为

表1 模糊规则

式中：DBUN为LED 灯具开关导通占空比的增量；w为输入变量的隶属度值；r为模糊比。利用式（4）得到LED 灯具开关导通占空比的增量，将其作为新的LED 灯具开关导通占空比来驱动LED 灯具，通过改变该照明参数实现对灯具的网络化集中控制，以此完成系统设计。

3 实验论证

以某市政照明工程为实验对象，利用设计系统与传统系统实现网络化集中控制照明。实验准备了100 个LED 灯具，将LED 灯具照度半径设定为320°，额定光效设定为155 lm/W，光通量设定为2 550 lm，色温设定为（5 500±120）K。还准备了5 个光敏传感器及1 个控制器，将市政照明工程分成5 组，每组配备20 个LED 灯具、1 个光敏传感器，由控制器对其进行集中控制，两个系统网络化集中控制照明情况如表2所示。

表2 网络化集中控制照明情况

如表1 所示，两个系统都能够满足室内光照度标准，在保证光照要求前提下，对两个系统节约用电量进行对比分析。每隔1 h 记录两个系统用电量，计算出系统节约用电量，如表3 所示。

如表3 所示，设计系统用电量较低，对市政照明进行集中控制后，平均可节电52.62%；传统系统用电量远远高于设计系统，对市政照明进行集中控制后，平均可节电11.34%。经过7 h 照明后，传统系统用电量可以达到115.62 kW·h，用电量比较高。在节能方面，设计系统优于传统系统，这是因为设计系统采用LED灯具替换了传统的荧光灯，该灯具节能性比较好，使系统不仅可以满足国家标准下的室内光照度要求，还具备良好的节能效果，因此设计系统更适用于市政照明工程。