新型室内照明智能控制系统的研究与实现[2]

　　4.4 外接可控硅电路驱动方法设计

　　几年前,控制照明灯亮度主要是通过一种叫可变电阻器的设备来实现。为了控制流经照明灯的能量,可变电阻必须将额外的电能转换为热能释放掉。例如,一个100W的灯泡要以50%亮度点亮,就需要大约20W的电能被可变电阻器转换为热能。

　　现在的照明灯调光设计采用完全不同的方法,在交流电的每半个周期,采用可挂硅来控制流过照明灯的电流。可控硅开始处于关断状态,通过微小的信号(如单片机引脚输出高电平)将其导通后,电流即可流经照明灯,直到交流电半个正弦周期结束,即又回到零点状态。在交流电每半个周期内,从可控硅导通到该半个周期结束这段时间称为导通角(conductionangle),剩余的部分称为延迟角(delayangle)。通过控制导通角即可实现照明灯的不同亮度。图5是照明灯以75%亮度点亮时的各波形示意图。

　　图5 照明灯以75%亮度点亮时各信号的波形示意图

　　在具体实施中,单片机在每个交流电零点捕获中断,然后根据所需导通角,输出相应宽度的脉冲信号,导通可挂硅,以相应亮度点亮负载。

　　4.5 中心控制节点照明模式判断设计

　　照明模式的判断是由中心控制节点在综合处理当前室内人员个数、光线强度以及室内人员位置信息的基础上实现的。

　　中心控制节点首先判断房间内有没有人,若没人,则设置关闭室内所有照明灯(若干照明模式之一);若有人,再判断室内人员的个数,然后根据不同的人员个数进入相应的判别模式。接着判断室内光线强度级别,如果光线较亮,仍设置关闭所有照明灯,否则再根据室内人员的位置信息来确定相应的照明模式。针对图3所示的节点布置模型,设计具体控制流程,如图6所示。

　　5 PC机用户界面设计

　　PC机用户界面主要用于中心控制节点与整个系统进行信息交互。根据系统需要,它一方面要能够动态显示各节点的状态信息及拓扑结构图,另一方面还要求能够让用户根据自身需求预设某些房间的照明模式以及查询某些节点当前的状态信息(如节点是否非正常工作状态、是否欠压状态等)。系统实现过程中采用LabVIEW工具进行设计。

　　图6 照明模式判别流程图

　　5.1 显示网络拓扑结构图的界面设计

　　对于每个终端节点,通过PC机用户界面能获取如下信息:父节点所在的房间号码、网络地址、自身所在的房间号码、在房间内的编号。

　　对于每个路由节点,则主要有如下信息:父节点所在的房间号码、网络地址、自身所在的房间号码、当前设置的室内照明模式、当前室内总人数、当前室内光线强度级别。

　　如图7所示下半部分可以显示八个房间的节点分布图,每个房间对应一个本文描述的智能照明控制系统,协调器负责与每个房间对应的路由节点进行信息交互。

　　图7 PC机用户界面图示

　　5.2 用户实现信息交互的界面设计

　　用户交互界面设计为四个组件:第一个组件用于操作类型的输入,实现为拨动按钮,拨动按钮提供两个选择,分别是预设照明模式与查看节点状态;第二个组件用于操作对象的输入,实现为拨动按钮,供用户选择全局设置或定点设置,即对整个网络进行操作或对某个节点进行操作;第三个组件用于在定点设置时,提供目的节点网络地址的输入,该组件仍然无须用户自己输入数据,而是由用户点击拓扑结构图中需要设置的节点的显示符号,组件自动获得并显示出该目的节点的网络地址;最后一个组件用于照明模式类别信息的输入,实现为下拉列表选择框,内置若干预先设计好的照明模式类别,如/照明模式00等,供用户选择。总之,整个用户交互界面无须用户手动从键盘输入任何信息,所有信息的输出都通过鼠标点击选择来完成,这样就避免了用户手动输入时,因输入信息不符对系统造成破坏性影响。

　　另外,初始状态下,四个组件中只有前两个组件处于激活状态,其余组件均处于非激活状态。实际控制及激活顺序如图8所示。图7上半部分所示对应本节描述的用户实现信息交互的界面。

　　图8 用户交互界面控制流程图

　　6 系统测试

　　系统测试分为四个部分进行:室内光线强度对照明模式的影响,室内人员位置移动对照明模式的影响,照明灯自动调整亮度级别以及节点欠压及非正常工作状况。为方便描述,本文使用PC机用户界面来说明每个部分的测试结果。

　　系统启动后,PC机界面程序首先显示出网络拓扑结构图。如图9所示为1106号房间的网络拓扑结构图。协调器节点与1106房间的路由节点由一条直线相连,直线上的点表示路由节点是协调器节点的一个子节点,1106房间左侧四个节点标志对应图3中四个定位节点:右上角两个节点标志对应图3中统计进入房间内人员个数的两个红外节点;右下角两个节点对应图3中的用于采集光线强度的两个光敏节点;中间的三个节点标志对应图3中的三个灯控节点,各节点显示为绿色,表示工作正常。

　　图9 PC机用户界面显示1106房间网络拓扑结构显示

　　接下来在图9的基础上测试系统的工作流程。如在白天光线较亮、房间内有一人情况下,通过PC机用户界面预设房间内照明模式为模式1,即全亮室顶四盏下照灯(图6),然后查询房间路由节点的状态,得到如图10(a)所示结果,显示当前照明模式为31(/10的ASCII码);过了预定的一段时间,系统识别到当前室内光线较亮,则自动矫正室内照明模式为0,即关闭室内所有灯,结果如图10(b)所示,显示照明模式为30(/00的ASCII码);当人在图3所示书桌前坐定时,随着室内光线的逐渐变暗,系统自动将照明模式由0切换到6,即将台灯亮80%,靠窗的两盏下照灯亮60%,并关闭其余灯,结果如图10(c)所示,照明模式为36(/60的ASCII码);当人离开书桌前时,系统自动切换至照明模式5,即以80%亮度开启四盏下照灯,如图10(d)所示,照明模式为35(/50的ASCII码);当人在图3所示矩形桌前坐定时,系统将自动设置为照明模式4,两壁灯亮80%,靠门的两盏下照灯亮60%,如图10(e)所示;最后,当人员离开房间后,系统自动恢复到照明模式0,关闭室内所有灯,如图10(f)所示,照明模式为30(/00的ASCII码),房间内人员个数为0。

　　图10 1106房间照明模式信息图

　　最后,PC机用户界面可以显示网络中节点的故障信息。如图11显示了一个光敏节点(图中颜色较淡的节点)处于欠压状态,指示更换电源,以及一个室内定位节点(图中颜色较深的节点)出现故障,与路由节点通信阻塞。用鼠标点击这些节点,即可在图7所示网络地址项显示出该节点的网络地址,以便于进行故障排除工作。

　　图11 显示节点欠压、故障示意图

　　经过测试,基于ZigBee传感网技术的新型室内智能照明控制系统能够有效克服传统照明控制方法存在的不足之处,主要展现以下效果及优点:

　　a)减少人为能源浪费。现代多数办公大楼中,人为造成照明能源浪费的现象仍然非常严重,无论房间是否有人,经常灯火通明。本系统利用红外探测功能可以自动关闭无人房间的照明灯,减少人为能量浪费,达到节能目的。

　　b)自动调光,充分利用自然光。本系统中的光敏传感器通过测定工作环境的照度,与设定值比较来控制灯具亮度调节开关。当室外光较强时,室内照度自动调暗,室外光较弱时,室内照度则自动调亮,使室内的照度始终保持在恒定值附近,从而能够充分利用自然光实现节能的目的,也可提供一个不受季节与外部气候环境影响的相对稳定的视觉环境。

　　c)自动调光,保持照度的一致性。一般照明设计师对新建的建筑物进行设计时,均会考虑到随着时间的推移,灯具的效率和房间墙面反射率会不断衰减。因此,其初始照度均设置得较高,这种设计不仅造成建筑物使用期的照度不一致,而且由于照度偏高设计造成不必要的能源浪费。采用本系统后,可以智能调光,系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度,而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响,这也是将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的可节约能源原因之一。

　　d)创造舒适环境,提高工作效率。按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定,可以根据不同场景需要,自动调整室内多种灯光强度,使环境光线更为舒适,有利于提高生活品质和改善工作效率。

　　e)延长灯具寿命。灯具损坏的致命原因是电网过电压,只要能控制过电压就可以延长灯具的寿命。本系统采用软启动的方式,能控制电网冲击电压和浪涌电压,使灯丝免受热冲击,灯具寿命得到延长。本系统通常能使灯具寿命延长2~4倍,不仅节省大量灯具,而且大大减少更换灯具的工作量,有效地降低了照明系统的运行费用,对于大量使用灯具和安装困难的区域具有特殊的意义。

　　f)提高管理水平,减少维护费用。本系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理。如果应用到大楼的管理,既能在降低运行费用中得到经济回报,还能省去常规照明所需的大部分配电控制设备,大大简化和节省穿管布线工作量,大大减少大楼的运行维护费用。

　　7 结束语

　　本文介绍了一种基于ZigBee传感网技术的新型室内智能照明控制系统,重点分析了室内人员个数统计方法、人员位置判别方法、光线强弱判断方法以及照明模式的设计与控制方法。本系统具有很强的扩展性,可以应用在楼宇中的每个房间,通过每个房间内的路由节点使整个楼宇的照明控制系统集成为一个传感器网络。该网络由惟一的协调器节点来控制,每个房间内的路由节点除了能与本房间的子节点进行通信,还能通过多跳的方式与协调器节点进行信息交互。另外,协调器节点可以与一台PC机相连,通过图7所示的PC机用户界面控制每个房间的照明控制子系统,并显示整个网络的节点工作状态。与传统照明控制系统相比,本系统带来的好处主要表现在:照明控制智能化,确保照度一致性,场景变换灵活,产生可观的节能效果,延长灯具寿命,提高管理水平,减少维护费用,改善环境舒适度,有利于提高工作效率等。因此,新型室内智能照明控制系统具备良好的发展前景,将产生巨大的社会价值和经济价值,不仅可以大大降低能耗,减少人为能源浪费,实现更加节能舒适的室内环境,而且也将为建设节约型社会作出重要贡献。

编辑：Cedar