市政照明工程中的網絡化集中控制照明系統設計

張煜奇

天津海河金岸投資建設開發有限公司，天津 300350

0 引言

網絡化集中控制照明系統是市政照明工程的核心技術，系統集中控制照明功能直接關系到市政照明工程建設的質量及照明效果。近幾年城市化進程不斷推進，市政照明工程規模不斷擴大，對市政照明工程要求也不斷提高。以節能、綠色、降耗為思想理念的照明系統，是市政照明工程建設中的重要組成部分[1]。相關統計資料顯示，2017 年全國各個城市的市政照明用電量已經超過了35%，比2016 年增長了1.36%，說明國內市政照明用電消耗量不斷增加，非常不利于城市的可持續化發展。為了降低市政照明用電量，相關學者開始關注并研究網絡化集中控制照明系統，試圖開發出一種可以對市政照明進行集中化管控的系統，既滿足市政照明需求，又能夠降低能源消耗。雖然取得了一定的研究成果，但是現有的照明系統在實際應用中的控制效果仍然比較差，節約用電量比較低[2]。這是因為傳統系統采用的是熒光燈，熒光燈雖然光照強度比較高，但是耗電量比較大；此外，傳統系統是將開關安裝在靠近回路處，用來實現網絡化集中控制照明，這種控制方式難以滿足在現場靈活控制照明的要求，從而導致系統用電量比較大。為此，文章主要研究市政照明工程中的網絡化集中控制照明系統的設計。

1 網絡化集中控制照明系統硬件設計

在傳統系統硬件基礎上，對控制器、燈具以及傳感器等硬件設備進行選型與設計，組建系統硬件結構，如圖1 所示。

圖1 系統硬件拓撲結構圖

如圖1 所示，控制器是系統的核心硬件設備，是系統實現網絡化集中控制照明功能的主要設備，通過控制器可以管控系統中照明燈具的關閉、啟動、移除，以及照明參數。系統通過通信模塊自組無線網絡，將控制器、光敏傳感器及LED 燈具連接在同一個局域網中，由控制器向傳感器和LED 燈具發出控制命令，將控制命令發送到LED 燈具后，LED 燈具上的微處理器執行相關操作，將控制命令轉變為R-LED（亮度）、G-LED（光效）、B-LED（色溫）三個照明控制變量，由三個照明控制變量對LED 燈具的相應技術參數進行調節和控制[3]。輸入光敏傳感器的電流可以觸發光敏傳感器，使其采集LED 燈具的照明數據，并反饋給控制器，再由控制器形成新的控制命令并發送出去，按照該流程周期性控制照明。

1.1 控制器選型與設計

根據該系統的功能需求，控制器需要具備功耗低、引腳接口豐富等優點，為此選擇型號為IHSFB-5525 的控制器。該控制器內置具有無線藍牙功能的UBFH26214芯片，還具有六路脈沖寬度調制調光模塊，符合網絡化集中控制照明系統設計要求。該控制器提供了豐富的外圍接口，包括I2C 接口、SPI 接口、UART 接口、PWM 接口及ADC 接口。其中，I2C 接口用于連接控制器與系統外設通信設備；SPI 接口用于接收系統控制程序拷貝信息；UART 接口用于接收打印串口log 信息；PWM 接口用于接收脈沖寬度調制信息；ADC 接口用于接收光敏傳感器采集的光源信息[4]?？刂破髦械腜WR 電源開關負責控制器供電。在控制器上設計了WH1 按鈕和WH2 指示燈。WH1 按鈕為網絡清除鍵，長按WH1 按鈕5 s 以上，可以清除控制器中所有歷史網絡信息。WH2 指示燈是控制器指示燈，當控制器向LED 燈具或者光敏傳感器發送控制命令時，WH2 指示燈處于綠色閃爍狀態；當控制命令發送成功并被執行后，指示燈由綠色閃爍狀態轉變為黃色閃爍狀態；當控制器與系統通信網絡建立了連接后，指示燈為白色閃爍狀態，通過不同光色表示控制器工作狀態。

1.2 燈具選型與設計

考慮到系統節能降耗的需求，選擇LED 燈具作為系統燈具，代替傳統系統的熒光燈。LED 燈具單只光源功率僅為17.5 W，功率因數大于0.85，顯色指數大于92，可以滿足系統設計要求[5]。采用分離式技術將LED 燈管的驅動方式設計為直流驅動方式，將LED 燈管的左側觸點作為直流輸入正極，將燈管的右側觸點作為直流輸入負極，將直流恒流驅動電源的正極與燈管正極相連，將其負極與燈管負極相連，驅動電源直流電流為240 mA。直流驅動方式有利于對LED 燈具的集中控制，還能幫助LED 燈具更好地散熱。

1.3 光敏傳感器選型與設計

系統光照強度需要滿足相關國家標準，光照強度不能低于國家規定要求，同時要滿足市政照明需求；光照強度也不宜過高，光照強度過高會增加照明耗電量。對此，在系統中采用IHDDF-2552 型光敏傳感器[6]。在系統中安插光敏傳感器，可以實時感應LED 燈具光照強度，通過內置的IHGF 光敏元件將感應到的光信號轉換為電信號，信號輸出形式為數字開關量輸出。設置光線強度閾值后輸出轉換后的電信號，當LED 燈具光照強度超過設定閾值時，輸出低電平，對應的數字開關量輸出為0，表示此時LED 燈具光照強度過高，需要關閉其開關，或者降低其光照強度；當LED燈具光線強度未超過設定閾值時，輸出高電平，對應的數字開關量輸出為1，表示無須對該LED 燈具進行控制。

2 網絡化集中控制照明系統軟件設計

采用模糊控制算法對系統LED 燈具進行網絡化集中控制。在系統設計中，將LED 燈具光照強度作為模糊控制對象，將LED 燈具光照強度值的偏差作為輸入變量1，將LED 燈具光照強度值偏差變化率作為輸入變量2，將LED 燈具開關導通占空比的增量作為輸出變量3，將增量值作為新的LED 燈具開關導通占空比來驅動LED 燈具，以此調節LED 燈具光照強度，實現網絡化集中控制照明，其實現過程如下。

將兩個輸入變量進行模糊化處理，針對LED 燈具光照強度值的偏差選定五個模糊子集，其表示如下：

式中：H為LED 燈具光照強度值的偏差模糊集合；nb為LED 燈具光照強度值的偏差為負大；ns為LED燈具光照強度值的偏差為負小；zo為LED 燈具光照強度值的偏差為零；ps為LED 燈具光照強度值的偏差為正?。籶b為LED 燈具光照強度值的偏差為正大[7]。利用以上五個模糊子集涵蓋LED 燈具光照強度值的偏差變量輸入范圍。

同樣選定五個模糊子集描述LED 燈具光照強度值偏差變化率，其公式表示為

式中：K為LED 燈具光照強度值偏差變化率模糊集合；nb、ns、zo、ps、pb分別為LED 燈具光照強度值偏差變化率負大、負小、零、正小、正大。

對于模糊輸出變量LED 燈具開關導通占空比的增量選定九個模糊子集，用公式表示為

式中：BUN為LED 燈具開關導通占空比的增量模糊集合；nm為LED 燈具開關導通占空比的增量為負中；nl為LED 燈具開關導通占空比的增量為負超小；pm為LED 燈具開關導通占空比的增量為正中；pl為LED 燈具開關導通占空比的增量為正超大[8]。

根據以上內容對控制變量和輸出變量選定的模糊子集設計模糊規則，如表1 所示。

對照表1 得出LED 燈具開關導通占空比的增量模糊子集，由于該子集無法被系統識別，需要對輸出的模糊子集進行去模糊化處理，其處理公式為

表1 模糊規則

式中：DBUN為LED 燈具開關導通占空比的增量；w為輸入變量的隸屬度值；r為模糊比。利用式（4）得到LED 燈具開關導通占空比的增量，將其作為新的LED 燈具開關導通占空比來驅動LED 燈具，通過改變該照明參數實現對燈具的網絡化集中控制，以此完成系統設計。

3 實驗論證

以某市政照明工程為實驗對象，利用設計系統與傳統系統實現網絡化集中控制照明。實驗準備了100 個LED 燈具，將LED 燈具照度半徑設定為320°，額定光效設定為155 lm/W，光通量設定為2 550 lm，色溫設定為（5 500±120）K。還準備了5 個光敏傳感器及1 個控制器，將市政照明工程分成5 組，每組配備20 個LED 燈具、1 個光敏傳感器，由控制器對其進行集中控制，兩個系統網絡化集中控制照明情況如表2所示。

表2 網絡化集中控制照明情況

如表1 所示，兩個系統都能夠滿足室內光照度標準，在保證光照要求前提下，對兩個系統節約用電量進行對比分析。每隔1 h 記錄兩個系統用電量，計算出系統節約用電量，如表3 所示。

如表3 所示，設計系統用電量較低，對市政照明進行集中控制后，平均可節電52.62%；傳統系統用電量遠遠高于設計系統，對市政照明進行集中控制后，平均可節電11.34%。經過7 h 照明后，傳統系統用電量可以達到115.62 kW·h，用電量比較高。在節能方面，設計系統優于傳統系統，這是因為設計系統采用LED燈具替換了傳統的熒光燈，該燈具節能性比較好，使系統不僅可以滿足國家標準下的室內光照度要求，還具備良好的節能效果，因此設計系統更適用于市政照明工程。

表3 兩個系統節約用電量對比

4 結束語

文章參考相關文獻資料，設計了網絡化集中控制照明系統進行，提高了系統節能效果，解決了市政照明工程能耗高的問題，有助于降低市政照明成本，還有助于城市可持續化發展，具有良好的現實意義。