無線單片機在建筑節(jié)能照明中的應(yīng)用分析

譚艷梅

引言：為提高建筑電氣照明的管理水平，節(jié)省電能消耗，在分析了物聯(lián)網(wǎng)路燈等效模型的基礎(chǔ)上，利用無線單片機提出了一種適用于物聯(lián)網(wǎng)建筑照明的模糊控制策略。當(dāng)光照強度不高于限值時，模糊控制器可根據(jù)建筑內(nèi)人流動情況對照明燈端電壓進行調(diào)節(jié)，調(diào)整對應(yīng)照明燈的亮度，節(jié)約電能，同時，通過模糊控制器中的電壓、電流反饋，對照明燈運行狀態(tài)進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了管理和維護效率。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)方案實現(xiàn)照明燈管理與控制已成為可能，為此，在物聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)上，選擇一種可靠性較高、控制靈活、便于實現(xiàn)的控制策略是照明燈智能調(diào)控的前提。

一、 物聯(lián)網(wǎng)照明燈的等效模型

物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)對象的可控性，對物聯(lián)網(wǎng)照明燈模型的分析，有助于提出合理可靠的控制及管理方案。物聯(lián)網(wǎng)照明燈的管理和控制主要通過無線通信及對應(yīng)的軟硬件支持。單個照明燈由對應(yīng)的終端節(jié)點控制，在一定的地域范圍內(nèi)，各控制終端節(jié)點通過無線路由聯(lián)系在一起。同時，在該建筑區(qū)域內(nèi)設(shè)置人流動信息采集裝置，無線路由將所轄范圍建筑物內(nèi)人流動及照明燈運行信息經(jīng)GPRS傳給管理計算機，通過模糊控制算法，對不同區(qū)域的照明燈進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

為實現(xiàn)照明燈的可控性，其關(guān)鍵有：（1）無線通信及協(xié)議規(guī)范。照明燈的地理位置分散，采用無線通信實現(xiàn)照明燈的遠(yuǎn)程控制是必要的。考慮到當(dāng)前的無線通信的成本、傳輸速率、可靠性等，可采用ZigBee+GPRS通信的模式。一方面通過Zigbee通信控制照明燈節(jié)點的亮度變化，另一方面將照明燈運行狀況（端電壓、電流檢測數(shù)據(jù)）和建筑物內(nèi)參數(shù)（對應(yīng)樓道、路面人流信息）通過ZigBee多跳傳輸，利用無線路由作為紐帶傳給監(jiān)控中心計算機，根據(jù)模糊控制算法，反饋調(diào)節(jié)當(dāng)前照明燈的亮度。對于不同建筑物內(nèi)路由節(jié)點的照明燈控制，可采用“一主多從”的應(yīng)答管理方式。從站（某建筑物的路由節(jié)點）利用GPRS通信向主站（監(jiān)控計算機）發(fā)送照明燈運行狀況和建筑物內(nèi)人流信息數(shù)據(jù)，待到計算機分析完數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備發(fā)出控制指令，喚醒對應(yīng)建筑物所負(fù)責(zé)的路由節(jié)點，監(jiān)控計算機對該路由節(jié)點發(fā)送控制指令，經(jīng)Zigbee，各照明燈終端控制器調(diào)節(jié)照明燈亮度。

（2）建筑物附近人流信息的采集和模糊知識庫的建立。監(jiān)控攝像頭對特定區(qū)域進行通行量統(tǒng)計，并結(jié)合所在區(qū)域隨時間變化照明燈開關(guān)時間、照明燈開啟所需光強要求等建立模糊知識庫，為模糊控制提供參考閥值。光強檢測、照明燈端電壓及電流大小通過ZigBee+GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控計算機，根據(jù)建立的模糊知識庫，對采集到的數(shù)據(jù)信息進行模糊分析，適時對照明燈亮度做出控制。

二、物聯(lián)網(wǎng)照明燈的模糊控制器設(shè)計

1、目標(biāo)特征量的獲取

目標(biāo)特征量的獲取主要是光照強度和建筑物負(fù)責(zé)區(qū)域人流通行量大小的確定，在這里，光照強度具有較高的優(yōu)先度，即若光照強度高于某個限制，而建筑物負(fù)責(zé)區(qū)域人流通行量大小不作為控制照明燈開關(guān)狀態(tài)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

（1）光照強度信息的獲取：利用專用的光照強度傳感器，一個照明燈節(jié)點負(fù)責(zé)的照明燈區(qū)域可根據(jù)覆蓋面積選擇一定數(shù)量的測量節(jié)點，這樣，當(dāng)一個測量節(jié)點數(shù)據(jù)有誤時，可剔除該節(jié)點測量值，利用其他測量節(jié)點對照明燈進行調(diào)控。

（2）當(dāng)光強低于限值時，建筑物附近通行量獲取：利用監(jiān)控攝像頭和高清卡口獲取建筑物附近行人、車輛等信息，并根據(jù)文獻提供的組合預(yù)測算法，可實現(xiàn)某區(qū)域通行量的獲取。

2、照明燈模糊控制器設(shè)計

照明燈的模糊控制是通過分析通行量和光照強度調(diào)節(jié)照明燈端電壓，實現(xiàn)照明燈亮度控制，利用模糊規(guī)則表示為：

Rk：if Mk is Ak and Ik is Bk

then Uk is Ck

其中，Mk、Ik、Uk分別為第k次采樣通行量、光照強度、端電壓；Ak、Bk、Ck分別為第k次采樣通行量量值、光照強度值、端電壓大小。

3、 照明燈模糊控制流程

照明燈模糊控制的目的在于通過計算機語言實現(xiàn)端電壓控制，其基本的控制流程如圖所示。首先進行光照強度檢測，當(dāng)光強不高于某光照強度時（在這里取15lx），進行通行量檢測，另外對無線路由等節(jié)點進行初始化，采取試探法，確保每個照明燈節(jié)點連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，根據(jù)此，由模糊控制器輸出對應(yīng)照明燈的控制端電壓，終端控制器根據(jù)模糊控制器指令，調(diào)節(jié)端電壓值。

圖1 照明燈的模糊控制流程

三、 照明燈模糊控制的合理性分析

為對控制策略的合理性分析，可通過對比傳統(tǒng)的定時控制和模糊控制算法來體現(xiàn)模糊控制的合理性。

1、耗電量分析

為了說明耗電的優(yōu)越性，以路燈控制為例，重慶夏季晚上19：30開燈、次日早上5：30關(guān)燈，以單盞路燈400W計算，重慶主城主干道約12萬盞路燈，共計單日耗電48萬kW；而采用模糊控制器，對整夜路燈亮度按通行量大小進行調(diào)整，19：30～24：30和4：30～5：30為預(yù)計的通行高峰，此時段路燈調(diào)節(jié)處在額定功率范圍，而其他時段，通行量較少，可調(diào)壓至200W照明，這樣單日耗電約為38萬kW，與傳統(tǒng)調(diào)控方式相比，模糊控制策略單日耗電節(jié)省約10萬kW.

2、照明燈維護、管理分析

對建筑物轄區(qū)內(nèi)照明燈進行逐一故障排查，耗費大量的人力物力，且實時性較差，采用如圖2所示的模糊控制器，在控制器的反饋回路檢測照明燈的電流、端電壓值，這樣就能知道每盞照明燈的工作狀態(tài)。在監(jiān)控計算機終端進行設(shè)置照明燈狀態(tài)監(jiān)控，對于存在的異常電流電壓值可自動提取，按照照明燈的編號，快速確定故障照明燈所在位置，提高管理和維護效率。

總之，物聯(lián)網(wǎng)照明燈的模糊控制能提高照明燈的管理、節(jié)約電能消耗，但是也存在一些不足，例如，建筑物附近人流通行都需要進行統(tǒng)計積累，建立可靠的評價數(shù)據(jù)，保證模糊推理的準(zhǔn)確性，為此，對于照明燈的遠(yuǎn)程智能控制還需要不斷的探索和努力。

參考文獻

[1]張偉， 王宏剛， 程培溫. 基于GPRS的智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 計算機測量與控制， 2010， 18（9）.

[2]彭昊. 基于城市交通流量組合預(yù)測模型的模糊控制系統(tǒng)研究[D]. 長沙： 中南大學(xué)， 2009.

（作者單位： 廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）