趙祖明，李歧強(qiáng)，王榮麗

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

1 引言

隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和信息化設(shè)備的普及，現(xiàn)代化建筑中控制設(shè)備的智能化已經(jīng)成為當(dāng)今建筑發(fā)展的潮流[1,2]。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些照明控制系統(tǒng)在很大程度上還屬于手動(dòng)控制，很難滿足人們對(duì)節(jié)能和舒適的要求，其不足主要體現(xiàn)為：

(1)大多數(shù)采用有線控制方式，布線復(fù)雜，施工難度大；

(2)大多數(shù)是對(duì)普通熒光燈管進(jìn)行控制，調(diào)光方式復(fù)雜，發(fā)光效率低；

(3)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的區(qū)域照明和定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，智能化程度低；

(4)不能根據(jù)用戶需要和環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整燈光亮度，舒適性差。

近年來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)分別被引入到照明系統(tǒng)的研究中，為智能照明提供了良好的思路和應(yīng)用前景[3～6]。其中，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有功耗與成本低、網(wǎng)絡(luò)范圍和網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，特別適用于智能家居場(chǎng)合，國(guó)內(nèi)外學(xué)者亦對(duì)基于該技術(shù)的照明系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究[7～10]，但在這些系統(tǒng)中，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于采集和傳輸光強(qiáng)等環(huán)境信息，集信息采集與智能控制于一體的系統(tǒng)還不多見(jiàn)。模糊控制將人的經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)等用自然語(yǔ)言的形式表達(dá)出來(lái)，為眾多復(fù)雜而難以建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)控制問(wèn)題提供了一種解決途徑，其在智能照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。曾虹等設(shè)計(jì)了基于模糊控制的LED隧道照明系統(tǒng)[11]，郭勝輝等設(shè)計(jì)了應(yīng)用于教室的基于PLC的模糊控制照明系統(tǒng)[12]，但以上研究均只對(duì)燈具的開(kāi)啟數(shù)量進(jìn)行控制，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光的功能。

綜上所述，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制各自為智能照明系統(tǒng)增加了靈活性與可行性。因此，本文選用LED光源，采用模糊控制算法，并結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)與PWM調(diào)光技術(shù)設(shè)計(jì)一套完整的智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈光亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到降低照明系統(tǒng)能耗及提高用戶舒適度的目的。

2 智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于傳輸速率、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等因素的考慮，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)。其中ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分為兩類：控制器節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)與傳感器節(jié)點(diǎn)(路由器)。所有的傳感器節(jié)點(diǎn)直接與控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信，而彼此之間并不建立連接。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)中嵌入照度檢測(cè)模塊，能夠讀取并定時(shí)發(fā)送室內(nèi)照度信息；控制器節(jié)點(diǎn)中包含主控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，能夠接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的相關(guān)信息，并完成相應(yīng)的控制工作。另外，在控制器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的空間布置中應(yīng)充分考慮空間大小、室內(nèi)家具的擺放以及室內(nèi)燈具布局，以最大程度上兼顧照明效果和成本。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各傳感器將檢測(cè)到的相關(guān)信息通過(guò)無(wú)線信道傳遞給控制器節(jié)點(diǎn)，控制器節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的主控模塊通過(guò)預(yù)置的模糊控制算法對(duì)光強(qiáng)信息進(jìn)行分析，并將決策結(jié)果輸出給LED驅(qū)動(dòng)模塊，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of intelligent lighting system

此外，本系統(tǒng)為了最大程度滿足用戶需求，除自動(dòng)調(diào)光以外，還實(shí)現(xiàn)了以下功能[13]：

(1)通過(guò)人體探測(cè)模塊的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能，減少了能源的浪費(fèi)；

(2)手動(dòng)模式和燈具關(guān)閉狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

(3)通過(guò)場(chǎng)景設(shè)置功能，能夠產(chǎn)生不同的燈光環(huán)境，滿足人們的多樣化需求。

(4)通過(guò)紅外遙控器手動(dòng)調(diào)節(jié)，方便用戶操作。

(5)通過(guò)LCD屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前光強(qiáng)和用戶設(shè)定值。

3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)智能照明控制的智能化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢(shì)[14]，進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)和封裝。在本系統(tǒng)中，兩種節(jié)點(diǎn)采用共同的ZigBee模塊，再配以不同的擴(kuò)展模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

如圖1所示，傳感器節(jié)點(diǎn)由ZigBee路由器和照度檢測(cè)模塊兩部分組成。

其中ZigBee路由器采用TI公司的CC2430 芯片，支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。實(shí)際應(yīng)用中，各ZigBee節(jié)點(diǎn)間的可靠通信距離為20m，通信速率為10～250kbps，并具備斷線重連功能。

照度檢測(cè)模塊采用ROHM公司的光學(xué)式照度傳感器BH1750，該傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能直接輸出數(shù)字信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，將該模塊的采樣范圍設(shè)置為0～2000lx，采樣周期設(shè)置為200ms，采樣精度可達(dá)到1lx。

3.2 控制器節(jié)點(diǎn)

如圖1所示，控制器節(jié)點(diǎn)由主控模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、驅(qū)動(dòng)模塊、人體探測(cè)模塊、紅外接收模塊、顯示模塊和錯(cuò)誤指示模塊7個(gè)部分組成。

其中主控模塊選用ATMEL公司的ATmega16芯片，其內(nèi)含16KB的Flash，3個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器的定時(shí)器，可編程串行USART和四通道PWM。

驅(qū)動(dòng)模塊選用TI公司的LM3407芯片，可通過(guò)脈沖恒流驅(qū)動(dòng)方式來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。實(shí)際應(yīng)用中，PWM的調(diào)光頻率為1kHz，輸出電流可以從0%到100%變化。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主控模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)串口通信，獲取照度信息。根據(jù)用戶的指令調(diào)用相應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生占空比不同的PWM信號(hào)，并將其輸出給驅(qū)動(dòng)模塊以實(shí)現(xiàn)燈具亮度的調(diào)節(jié)。

4 智能照明控制器設(shè)計(jì)

照明控制設(shè)計(jì)首先需要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少不必要的調(diào)光和誤操作；其次應(yīng)當(dāng)營(yíng)造舒適的視覺(jué)環(huán)境，滿足用戶對(duì)于舒適性的要求。

為滿足上述要求，本文采取了設(shè)置閾值和限幅平均濾波等方法來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了模糊控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)燈具的自動(dòng)調(diào)光。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為避免不必要的調(diào)光動(dòng)作并減少調(diào)光時(shí)產(chǎn)生的振蕩，需為用戶設(shè)定值設(shè)置上下限，實(shí)現(xiàn)滯回比較。當(dāng)實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的差值在閾值范圍內(nèi)時(shí)，控制器不動(dòng)作；當(dāng)實(shí)測(cè)值大于設(shè)定值的上限時(shí)，主控模塊指示驅(qū)動(dòng)模塊減弱燈具亮度；反之，則增強(qiáng)燈具亮度。

通過(guò)合理設(shè)置辦公輔助區(qū)，能夠緩解醫(yī)患人員的工作壓力，空間使用率較高。醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心中的辦公輔助區(qū)主要包括值班室、辦公室、計(jì)算機(jī)、休息室與衛(wèi)生間等，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)其他功能區(qū)的設(shè)置情況，將辦公輔助區(qū)與功能區(qū)進(jìn)行合理連接。

為避免偶爾的人員走動(dòng)而引起的誤操作，在照度數(shù)據(jù)采樣時(shí)采用限幅平均濾波算法。每次檢測(cè)到新數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行限幅處理，若本次值與平均值之差不大于最大偏差值，則本次值有效；否則，本次值無(wú)效，用平均值代替本次值。再將處理后的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理。

4.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

依照模糊控制的理論和模糊控制器的組成原理，本系統(tǒng)采用室內(nèi)照度Ei與照度設(shè)定值Ed之間的誤差e=Ed-Ei和誤差變化Δe作為輸入變量，輸出量為系統(tǒng)控制值u，構(gòu)成一個(gè)二維模糊控制器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the fuzzy controller

模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

(1)模糊化：在誤差e、誤差變化量Δe和控制量u所對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言變量E、Ec以及U的論域內(nèi)定義了7個(gè)模糊子集：{正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)}?？紤]到三角形隸屬函數(shù)的形式簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，控制性能較好，故本系統(tǒng)選擇三角形隸屬函數(shù)，例如，照度誤差值隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 照度誤差值E的隸屬函數(shù)圖集Fig.3 Membership degree of input var. E

(2)模糊推理：推理規(guī)則主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，得到以“IF-THEN”語(yǔ)句表達(dá)的規(guī)則。如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)室內(nèi)照度遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)值時(shí)，說(shuō)明室內(nèi)照度偏低，若此時(shí)室內(nèi)照度仍有減小的趨勢(shì)，為盡快消除已有的正大誤差并抑制誤差變大，PWM占空比應(yīng)迅速增大，寫(xiě)成模糊推理規(guī)則即“ifEis PB andEcis PB thenUis PB”。如表1所示，本系統(tǒng)共建立49條規(guī)則。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)不同情況對(duì)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，逐漸形成最佳控制方案。

(3)解模糊：本系統(tǒng)采用重心法去模糊化，得到PWM波形占空比的變化量。

模糊控制器的設(shè)計(jì)采用MATLAB軟件的模糊控制工具箱，最終得到了模糊控制查詢表，如表2所示。實(shí)際應(yīng)用中，將模糊控制查詢表置于主控模塊中，可減少在線計(jì)算量，節(jié)省內(nèi)存，提高運(yùn)行效率。

表1 模糊推理規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table

表2 模糊控制查詢表Table 2 Fuzzy control query table

5 智能照明系統(tǒng)驗(yàn)證

5.1 節(jié)能效果驗(yàn)證

本文選取某大學(xué)的某一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行照明系統(tǒng)的節(jié)能效果驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)室總面積為63m2，工作面高度為0.75m，共有9個(gè)三管格柵燈盤，為三行三列布局。

改造前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)共安裝了27盞T8直管熒光燈，其額定功率為18W，光通量為770lm，室內(nèi)的平均照度約為148lx。其中，每3盞熒光燈作為一組，由一個(gè)功率因數(shù)為95%的電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)，每組燈具的實(shí)際運(yùn)行功率約為57W。正常情況下，燈具的運(yùn)行時(shí)間約為11小時(shí)/天，由此可計(jì)算出該實(shí)驗(yàn)室每天的照明能耗約為5643W·h。

將本系統(tǒng)應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)室后，室內(nèi)燈具更換為L(zhǎng)ED日光燈，并具備了自動(dòng)調(diào)光功能。其中LED日光燈的額定率為10W，光通量為820lm；調(diào)光控制電路實(shí)測(cè)功率約為5W，每個(gè)調(diào)光電路可控制三盞LED燈。

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)將照度期望值設(shè)定為150lx時(shí)，由于外界光線的透射作用，靠窗位置的9盞LED燈在11小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，約有1小時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，6小時(shí)處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，4小時(shí)處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；其余的18盞LED燈則基本為滿負(fù)荷運(yùn)行。

若將靠窗燈具部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率按額定功率的60%進(jìn)行估算，則改造后實(shí)驗(yàn)室每天的照明能耗約為3159W·h。

由此可知，采用本系統(tǒng)后，每天的照明能耗減少了2484W·h，節(jié)能量約為45%，產(chǎn)生了良好的節(jié)能效果。

5.2 調(diào)光性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的調(diào)光性能，本文進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

照度期望值設(shè)定為300lx，誤差設(shè)為±20lx，燈具亮度(受PWM輸出值影響)分為1024個(gè)等級(jí)。每隔一小時(shí)進(jìn)行一次調(diào)光操作，分別記錄照度傳感器在調(diào)光前后的測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，調(diào)光后室內(nèi)照度能夠保持在期望值±10lx范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期要求。

5.3 抗干擾能力驗(yàn)證

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的抗干擾能力，本文進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

照度傳感器每隔200ms采樣一次，兩次采樣允許的最大偏差值為50lx，將連續(xù)采到的10個(gè)數(shù)據(jù)看做一個(gè)隊(duì)列。每次檢測(cè)到新數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行限幅處理，再將處理后的數(shù)據(jù)送入隊(duì)列進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理。分別記錄人員走動(dòng)前后采樣數(shù)據(jù)、限幅數(shù)據(jù)和濾波數(shù)據(jù)的值，繪制成如圖4所示的折線圖。

圖4 照度數(shù)據(jù)變化折線圖Fig.4 Illumination data line chart

由圖4可知，照度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后基本能夠克服人員走動(dòng)對(duì)于檢測(cè)值的影響，系統(tǒng)基本不會(huì)產(chǎn)生誤操作。

6 結(jié)論

本文提出了將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制相結(jié)合用于智能照明的方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)采集室內(nèi)照度可自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具的亮度，并能夠根據(jù)室內(nèi)的人員信息實(shí)現(xiàn)燈具的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)節(jié)能效果明顯、控制準(zhǔn)確性高、運(yùn)行穩(wěn)定性好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

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