智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究

龔志廣

（河北建筑工程學(xué)院，張家口075000）

照明是電力消耗的大戶，照明用電量約占發(fā)電總量12%左右，并以每年5%的速度增長.對一些照明時間較長、照明場所較多的機構(gòu)，如高等學(xué)校，據(jù)測算，其照明耗電占本單位所有耗電的30－40%左右，照明節(jié)電的潛力很大.高校一般采用開放式的管理模式，學(xué)生無固定教室，無固定的座位.白天長明燈，晚上無人也開燈，人少燈全開，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在，這種不合理用電浪費了大量電能.目前國內(nèi)的道路照明系統(tǒng)大部分沒有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理，沒有考慮環(huán)境照度、時間、路段和交通流量等因素，只能以區(qū)域為單位對照明設(shè)備進行簡單的開關(guān)燈控制.要對燈具進行有效管理和維護，就要求對照明系統(tǒng)中所有燈具實行有效監(jiān)控，能遠程控制燈的開關(guān)和亮度，能遠程發(fā)現(xiàn)故障［1］.

目前，照明節(jié)能的研究主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是光源的革命，光源節(jié)能就是用光效高、壽命長的綠色節(jié)能光源逐步取代傳統(tǒng)的低光效、低壽命的光源.另一個方面是對燈具的智能化控制，燈具的智能化網(wǎng)絡(luò)化控制就是將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于照明控制，使照明系統(tǒng)自動化，考慮環(huán)境照度、時間、照明區(qū)域的功能等因素，時控和光控相結(jié)合，通過有效的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理以及節(jié)能控制，實現(xiàn)燈具遙測、遙控及照明系統(tǒng)的高效、節(jié)能.

基于此，本文對道路照明和室內(nèi)照明常用光源進行研究，將Zigbee技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS移動通信技術(shù)相結(jié)合，研究設(shè)計一種基于Zigbee－WSN＋GPRS／RS－232無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的照明節(jié)能控制系統(tǒng).通過網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，實現(xiàn)燈具的遙測、遙控.此系統(tǒng)即適用于高校室內(nèi)照明，又適用于道路照明，有廣泛的應(yīng)用前景.

1 照明光源對比研究

目前，室內(nèi)照明和道路照明中常用的光源主要有金屬鹵化燈、高壓鈉燈、熒光燈、無極熒光燈、LED燈等.對上述光源進行對比研究，其特點如下［2］：金屬鹵化物燈：是一種高強度氣體放電燈（HID），具有光效高、壽命長、顯色性好、性能穩(wěn)定等特點.高壓鈉燈：是一種高強度氣體放電燈（HID），具有發(fā)光效率高、壽命長、透霧性強、價格較低等優(yōu)點，但顯色性差，啟動時間長，再啟動困難，是目前道路照明普遍應(yīng)用的典型光源.無極熒光燈：具有無電極、超長使用壽命、高顯色性、高光效、但其價格較高，使用費用較高.熒光燈：具有光效高、使用壽命長、顯色性好、耗電少等優(yōu)點，一般照明中可取代普通白熾燈以節(jié)約電能.LED燈：即發(fā)光二極管，利用固體半導(dǎo)體作為發(fā)光材料，屬于固態(tài)光源，具有壽命長、高光效、高顯色性、低電壓、低功耗，可進行無級調(diào)光、易于控制等優(yōu)點.

對室內(nèi)照明和道路照明常用光源的光學(xué)特性進行對比研究，選擇適用于室內(nèi)照明和道路照明的綠色節(jié)能光源.在同樣功率下，高壓鈉燈光通是金屬鹵化物燈的140%左右，在同樣照度下，高壓鈉燈電耗遠低于金屬鹵化物燈.高壓鈉燈由于具有壽命長、光效高、透霧能力強、價格相對低廉等特點，已在道路照明系統(tǒng)中得到廣泛使用.熒光燈由于光效和壽命均強于普通白熾燈，顯色性好，在室內(nèi)照明和道路照明中均有一定的應(yīng)用.無極熒光燈由于光效高、使用壽命長，在道路照明中有很好的應(yīng)用前景，但由于價格高，制約了其使用范圍.無論是道路照明還是高校室內(nèi)照明，新型光源白光LED具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景.LED燈具是新一代照明光源，跟傳統(tǒng)的高壓鈉燈、熒光燈等相比，LED燈發(fā)光效率更高，在同樣照度的情況下，LED燈的能耗只有高壓鈉燈的25－30%，熒光燈的30－50%.與傳統(tǒng)的熒光燈、高壓鈉燈等不同，LED燈亮度易于控制，改變流過LED的電流，其亮度就可以在0－100%之間進行調(diào)節(jié)，只要根據(jù)環(huán)境照度的需要改變LED燈的亮度，LED燈就有巨大的節(jié)能潛力.

2 智能照明控制系統(tǒng)研究

2.1 照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Zigbee的無線智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由Zigbee無線傳感網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、GPRS／RS－232移動通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心四部分組成.采用兩級雙網(wǎng)組網(wǎng)模型，該模型由Zigbee－WSN和GPRS／RS－232兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，上層為GPRS／主干網(wǎng)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點和GPRS移動通信網(wǎng)構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸；下層為Zigbee－WSN二級子網(wǎng)，由路由節(jié)點和燈節(jié)點構(gòu)成，采用簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲，完成數(shù)據(jù)路由、轉(zhuǎn)發(fā)［3］.網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)ZigBee協(xié)議和TCP／IP協(xié)議兩種協(xié)議棧之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換.網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)布監(jiān)控中心的監(jiān)控命令，并把收集到的燈狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心，實現(xiàn)燈具的開關(guān)燈控制、調(diào)光控制和故障監(jiān)測，即燈具的遙測、遙控［4］.

2.2 系統(tǒng)各部分設(shè)計

2.2.1 燈節(jié)點設(shè)計

燈節(jié)點硬件框圖如圖2所示，由亮度傳感器模塊、紅外傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、LED恒流驅(qū)動模塊及電源模塊組成.

圖2 燈節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖

處理器采用TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片是德州儀器（TI）推出的用于2.4GHz IEEE 802.15.4／RF4CE／ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案，內(nèi)部集成了支持Zigbee通信的硬件資源，包括2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）RF收發(fā)器、增強的8051微控制器、8KB的RAM和32／64／128／256KB的Flash存儲器，8通道12位ADC，可直接對電流、電壓、溫度等模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，無需外擴A／D轉(zhuǎn)換器，具有PWM信號輸出功能，可用于數(shù)字調(diào)光.

紅外傳感模塊選用熱釋電紅外開關(guān)BISS0001芯片，BISS0001配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成的被動式紅外開關(guān).環(huán)境光檢測器采用美信（MAXIM）公司生產(chǎn)的MAX44009芯片.MAX44009環(huán)境光傳感器芯片提供I2C數(shù)字輸出，是業(yè)內(nèi)功耗最低的環(huán)境光傳感器，具有22位超寬動態(tài)范圍（0.045流明至188，000流明），能夠檢測極其微弱的光線.

2.2.2 路由節(jié)點設(shè)計

路由節(jié)點對來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點和路燈節(jié)點的數(shù)據(jù)起中繼作用，路由節(jié)點具備Zigbee通信功能，支持Zigbee協(xié)議，要有對數(shù)據(jù)進行融合、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的能力，必須具備路由功能，應(yīng)是一個Zigbee全功能設(shè)備.路由節(jié)點采用CC2530芯片實現(xiàn)，CC2530符合2.4GHz IEEE 802.15.4標準ZigBee技術(shù)規(guī)范，固化了ZigBee協(xié)議棧，內(nèi)部集成了ZigBee射頻收發(fā)器、大量的Flash存儲器，無需外擴其他芯片，只需加上簡單的外圍電路就可實現(xiàn)ZigBee通信.路由節(jié)點的軟件主要實現(xiàn)Zigbee協(xié)議，完成數(shù)據(jù)收發(fā)、融合、存儲和路由選擇等功能.

2.2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)除了完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點的加入和退出等網(wǎng)絡(luò)維護工作，還需具備ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)上、下行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理和ZigBee協(xié)議與TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能.無線網(wǎng)關(guān)主要由S3C2410微處理器、ZigBee無線通信模塊、GPRS通信模塊、Flash存儲模塊、SDRAM存儲模塊、USB接口模塊、RS－232接口、LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊等組成.網(wǎng)關(guān)采用裁剪后的嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，并移植了MiniGUI提供友好的人機交互界面.

2.2.4 LED燈具高效恒流驅(qū)動電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用28顆1W、350mA白光LED作為光源，采用7×4串并聯(lián)恒流驅(qū)動方式.恒流驅(qū)動芯片采用PWM控制型高效大功率市電直驅(qū)LED驅(qū)動器HV9910，該芯片效率高達90%以上，可由市電（85～265VAC）供電，HV9910提供了一個低頻的PWM調(diào)光功能，PWM＿D端外接數(shù)百Hz到1kHz的PWM信號，可以通過占空比調(diào)節(jié)MOS開關(guān)管的導(dǎo)通時間，獲得從0%－100%的PWM數(shù)字調(diào)光［5］.恒流驅(qū)動電路如圖3所示.

圖3 LED恒流驅(qū)動電路

3 結(jié) 論

無論是室內(nèi)照明還是道路照明，白光LED燈具是具有發(fā)展前景的光源.基于Zigbee的智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，可實現(xiàn)燈具的遙測、遙控，系統(tǒng)建設(shè)和運營成本低、組網(wǎng)靈活，可以提高生產(chǎn)效率，提高燈具的自動化管理水平，適用于高校室內(nèi)照明和道路照明，也可推廣應(yīng)用于大廈、廣場、橋梁、隧道等其它公共照明場合.

［1］梁云，賀新軍，孫美鳳.新一代無線通信技術(shù)在城市照明智能監(jiān)控網(wǎng)中的介紹［J］.照明工程學(xué)報，2009，20（2）：63～69

［2］俞麗華.電氣照明（第二版）［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2001.9

［3］浦敏，李云飛，王宜懷.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)［J］.照明工程學(xué)報，2010，21（2）：86～89

［4］關(guān)耀宗，胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的道路照明監(jiān)控及節(jié)能系統(tǒng)［J］.自動化與信息工程，2007，4：38～40

［5］邱陽，季翼鵬，曹豐文.基于DALI總線的HV9910高亮度LED驅(qū)動電路的設(shè)計［J］.科技信息（學(xué)術(shù)版），2006，11：61～62