灯联网技术在智能照明系统中的应用与实现
时间：2023-05-30 11:45:20 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
徐巍峰，翁利国
(1.国网浙江杭州市萧山区供电公司，浙江 杭州 331202；
2.浙江中新电力工程建设有限公司，浙江 杭州 331202)
如今，大多数国家都在推行节能减排理念，传统的灯泡照明逐渐被消耗电量少和亮度高的LED照明取代，更加符合当今社会节能减排的宗旨，且更容易被控制[1]。伴随着智能化时代的到来，智能传感器的应用更加广泛，通过控制智能照明系统，给人们带来了多样化的照明体验感，不仅可以满足人们日常照明的需求，还给人们生活增添了新乐趣，让人们感受到照明的愉悦感。传统的照明方式，能耗高而且照明方式单一，无法满足人们在不同场合对照明的需求[2]。因此智能照明系统越来越受到人们的关注，虽然智能照明系统的应用还处于初级研究阶段，还没有被广泛地应用在工业楼宇与市政等方面，但已然成为未来的一种发展趋势[3]。
郭金涛等[4]提出了一种基于光线追踪理论的激光照明光学系统，用来解决传统的激光照明性能较差的问题，使其得到广泛地应用。首先，基于光线追踪理论对激光器的快轴进行设计，通过对慢轴方向的调控，实现对激光照明器的荧光片设计，优化激光照明器的整体性能，最终实现激光照明器的窄光束照明。仿真实验结果表明，基于光线追踪理论的激光照明光线系统，光源的收集率高达98%，白光的均匀度可达到98.5%，完全解决了传统激光照明器性能差的问题。傅鹏等[5]在物联网架构的基础上，提出了一种智能照明控制系统，用来提高智能家居环境下，照明系统的整体的体验感。首先，利用智能传感器采集每个LED等的节点信息，利用WiFi与云端的互联，实现云端服务器对智能传感器的控制，终端可以通过Android移动智能设备实现对智能照明系统的控制。实验结果表明，该系统在满足人们照明需求的同时，提高了智能家居环境下照明系统的舒适感和艺术性。
基于以上研究存在的问题，本文利用灯联网技术设计了智能照明系统，从而满足用户的需求。
1.1 设计灯联网型测控器
灯联网型测控器在智能照明系统硬件设计中的作用是通信枢纽作用，包括智能传感器指令的转换和终端操作的执行。此外，灯联网型测控器还控制整个智能照明系统的照明回路，还具备云端通信和本地数据存储等功能[6]。因此，灯联网型测控器设计较为复杂，灯联网型测控器的硬件设计主要包括MCU控制器、PWM调光法和WiFi模块设计3种形式。
灯联网型测控器，可以通过MCU控制器[7]实现对10条回路照明器的控制。控制模式可分为2种，分别是本地控制和远程终端控制[8]。灯联网型测控器主要采用HFE20的测控器，且接触点的容量为30 A/220 V。HFE20测控器的使用和断开通过信号的输出和输入来控制，在断电后会恢复到初始设置状态。灯联网型测控器的电路原理如图1所示。
灯联网型测控器需要对操作指令进行储存操作，并根据设备的拓扑信息进行参数初始化处理，并根据实时命令进行储存信息的更新。虽然MCU控制器具有存储功能，但是内存较小，无法满足智能照明系统信息储存的要求。因此，本文利用AT24C512
图1 灯联网型测控器的电路原理Fig.1 Circuit principle of lamp networking type measuring and controlling device
增加灯联网型测控器的储存空间，实现智能照明系统的本地储存功能。通过AT24C512与MCU控制器的联合，提高测控器的存储能力[9]。灯联网型测控器储存模块的原理图如图2所示。
图2 灯联网型测控器储存模块的原理Fig.2 Storage module of lamp networked measurement and control device
灯联网型测控器的主要作用，就是对命令的执行以及智能照明数据的存储。灯联网型测控器主要通过智能传感器向LED等传达操控命令，同时也会接收来自LED的传感器的数据信息。灯联网型测控器通过智能传感器接收到的操作指令，经过协议的转换[10]，再通过互联网传送给智能照明系统。
1.2 设计CPU控制电路
智能照明系统的CPU搭建STM32F103RBT6的智能传感器实现对智能照明系统数据的处理，经过外接晶振，增加8 MHz的幅频信号，使主频可达到72 MHz。为了避免其他信号源对智能照明系统信号源的干扰[11]，在进行电路电源设计时添加退耦电容，阻断干扰信号的影响。CPU的控制电路如图3所示。
图3 CPU控制电路Fig.3 CPU control circuit
如图3所示，在CPU控制电路中，为了防止其他信号对操控系统的干扰，在VSS处接了1个0.2/0.1 μF 的贴片电容。再利用TX/RX 与 CC2530 的 RX/TX 引脚进行相连，实现CPU的操控功能[12-13]。CPU的芯片主要采用W510，通过与智能照明系统通信接口的连接，使智能操控的传输速度可达到150 Mb/s。
2.1 设计色彩空间及颜色调节算法
在智能照明系统的色彩空间领域，对于灯光色彩的描述方法多种多样，其中主要以RGB色彩空间[14]，XYZ色彩空间为主。
智能照明系统的RGB色彩空间：RGB色彩空间是基于LMS色彩空间的基础上，基于人眼的三类视锥细胞，让人们感受到红色、黄色和蓝色的灯光感受，灯光本身的颜色是3种颜色混合而成的，通过灯光感受让人感受到更多的颜色，使灯光色彩在呈现的同时不会出现色彩偏差[15-16]。RGB颜色匹配函数如图4所示。
图4 RGB颜色匹配函数Fig.4 RGB color matching function
从图4中可以看出，当色彩空间的颜色匹配函数值为负数时，其实际的色彩显示会受到影响，此时的色彩用RGB色彩空间表示也会出现非正值，不适合人眼的三类视锥细胞运行思维[17]，因此基于RGB色彩空间提出了xyY色彩空间。
智能照明系统的xyY色彩空间：该空间是在RGB空间的基础上演变而来，由于人类的眼睛类型为三维视锥细胞，所以人们看到的色彩都是三维空间表述的，比如白色和灰色的色度其实是一样，只不过人眼视锥细胞会分辨出2色，但二者本身的区别只是色度不同，白色属于明亮的色度而已。原本的色彩空间用来描述颜色本身的色度，用来描述明度。
2.2 设计智能照明PLC转发程序
智能照明系统的PLC转发程序，主要用于接收系统的控制命令，并通过PLC转发器将操作命令通过传输电线传输给LED灯具[20]，LED灯具根据接收到的数据帧进行命令执行，完成智能照明系统的操控。PLC转发程序的操作流程如图5所示。
智能照明系统的PLC转发程序接收到终端的操作指令后，控制LED灯组进行执行，当LED灯组接收到操作指令进行执行的过程中，如操作指令不正确，会向终端发出错误的信号。如果下达的操作指令是正确的，则利用PLC转发程序将操作指令进行转换，并通过电线发送到总线上，在规定时间内会收到应答机发出的操作信号，如果在规定时间内未收到操作信号需要进行重新操作，直至PLC的操作终点给出应答信号。
综上所述，基于色彩空间及颜色调节算法，设计了智能照明PLC转发程序，完成了系统的软件设计。
为了验证基于灯联网技术的智能照明系统在功能和性能方面可以满足用户的需求，通过测试系统的灯联网型测控器，验证系统是否可以实现灯联网功能，从而与灯联网平台进行通信；
利用联调测试对系统的丢包率和延时进行测试。
图5 智能照明PLC转发程序Fig.5 Intelligent lighting PLC forwarding program
3.1 灯联网型测控器测试
将220 V交流电与4条线路的LED驱动控制器和1台灯联网型测控器连接，在灯联网平台上注册并激活TF-LeD模块，接着将灯联网型测控器的网络通信模块设置成为协调器，搭建组网，最后将灯联网型测控器设置成远程控制模式，利用灯联网平台向已经激活的灯联网型测控器发送对调光和开光的控制命令，当组网接收到控制指令之后，判断控制器是否可以正确控制灯具，当指令上报之后，在灯联网平台的历史数据中查询是否存在正确的数据上传，结果见表1。
表1 灯联网平台的历史数据测试结果Tab.1 Test results of historical data of lamp networking platform
从表1的结果可以看出，在灯联网平台的历史数据中，所有数据都可以正确上传，说明基于灯联网技术的智能照明系统在灯联网型测控器功能上可以满足用户的需求。
3.2 性能测试
3.2.1 测试过程
性能测试中，在灯联网的支持下搭建系统的服务器环境，服务器是灯联网的主要节点，节点之间通常使用千兆网络实现通信功能，选择一台服务器作为代理节点，将智能合约部署安装在服务器中，并且合约中已经完成了照明策略，其中服务器的相关配置情况见表2。
表2 服务器配置情况Tab.2 Server configuration
基于表2的配置参数，管理员或用户登录系统，首先进入照明设备管理页面，注册接入网络的照明设备，完成注册之后配置各项参数。完成初始配置之后，在系统的控制中心界面测试系统的各项性能，在测试过程中，分别采用定时、感知、组合以及手动控制策略，测试LED照明节点，并记录各个照明节点的运行状态，验证最终的测试结果。以照明亮度控制为例，效果如图6所示。
图6 照明控制系统效果Fig.6 Effect of lighting control system applied
应用照明控制系统后，可根据现实需求设定智能调光节能照明方案，也可根据天气、人流车流等条件灵活使用隔站亮灯、辅道关灯等方案。
3.2.2 测试结果
根据照明控制范围的不同，将智能照明控制命令分为单灯控制测试、区域控制测试和全局控制测试，每一种测试都采用定时、感知、组合以及手动等控制策略，结果见表3。
表3 测试结果Tab.3 Test results
表3的结果显示，在3种测试条件下，基于灯联网技术的智能照明系统可以精准控制各个照明设备，在定时、感知、组合以及手动4种控制策略下，延时非常短，以毫秒计量，随着测试范围的扩大，延时虽然在增加，但是都可以满足系统的响应需求，并且不会出现丢包情况，能够在多数场景中满足照明要求。
根据测试目标的数量不同，同样将智能照明控制命令分为单灯控制测试、区域控制测试和全局控制测试，由系统的软件发送量测指令，照明设备接收到指令之后将量测数据返回，包括电流、有功功率、LED照明亮度等级以及光照强度等信息，结果见表4。
表4 测试结果Tab.4 Test results
表4的结果显示，灯联网平台向照明设备发送指令之后，照明设备都可以接收到量测指令并及时回复，也不会出现丢包现象，在单灯控制测试中，成功率达到了100%，其他2种测试分别出现了2次和4次错误，即使可以接收到数据，也都是空值，原因是这2种测试条件下，数据量过大，通信过程中会存在一定干扰。
以上测试结果表明，基于灯联网技术的智能照明系统在功能和性能方面都可以满足用户需求，实现照明数据的网络通信。
本文提出了灯联网技术在智能照明系统中的应用与实现，测试结果显示，该系统的功能和性能都可以满足用户需求。但是本文的研究仍然存在很多不足，在今后的研究中，希望可以对各种控制策略进行完善，满足用户对系统的多样化需求。
猜你喜欢 测控指令联网 “身联网”等五则党的生活（黑龙江）(2022年4期)2022-04-25《物联网技术》简介现代电子技术(2022年8期)2022-04-13《物联网技术》简介现代电子技术(2022年4期)2022-02-21基于 Verilog HDL 的多周期 CPU 设计与实现数码世界(2020年12期)2021-01-20昆山祺迈测控设备有限公司中国船检(2020年11期)2020-11-27《单一形状固定循环指令G90车外圆仿真》教案设计学校教育研究(2020年11期)2020-06-08简述传感器在物联网中的应用电子制作(2019年22期)2020-01-14关于ARM+FPGA组建PLC高速指令控制器的研究科技与创新(2019年2期)2019-02-14基于现代测控技术及其应用分析山东工业技术(2016年15期)2016-12-01虚拟仪器技术在农业装备测控中的应用山东工业技术(2016年15期)2016-12-01
