基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED燈光智能控制系統(tǒng)設(shè)計

戴文婷,王亞剛,蔡杰杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的LED燈光智能控制系統(tǒng)設(shè)計

戴文婷,王亞剛,蔡杰杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低照明能耗,設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由Niagara平臺控制器JACE、熱釋電紅外傳感器、光敏電阻等硬件設(shè)備構(gòu)成,以Niagara平臺進(jìn)行程序設(shè)計。根據(jù)人體感應(yīng)檢測和光照強(qiáng)度檢測,來調(diào)節(jié)LED照明開關(guān)和亮度。Niagara平臺可實(shí)現(xiàn)邏輯上的編程,還可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制物聯(lián)網(wǎng)的功能。系統(tǒng)界面能直觀體現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù),經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排、智能控制的目的。

關(guān)鍵詞燈光控制;LED照明;Niagara平臺;物聯(lián)網(wǎng)

An Intelligent LED Lighting Control System Based on the Internet of Things

DAI Wenting,WANG Yagang,CAI Jiejie

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science an Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThe paper introduces an intelligent LED lighting control system based on Internet of things technologies.The system hardware consists of JACE controllers based on Niagara platform,the pyro electric infrared sensors,and photo resistors.The program design is based on Niagara.According to the induction of the motion sensor detection and light intensity detection,the control system can judge the input signal and make necessary decision to turn on/off the light automatically and adjusts illumination of the LED.The Niagara platform is capable of both logic programming and remote system control,thus realizing the industrial control networking.The user interface can directly reflect the operating conditions and historical data.Experiment shows that this system achieves intelligent lighting control,energy saving and emissions reduction.

Keywordslighting control;LED lighting;Niagara platform;the Internet of things

隨著科技水平的不斷發(fā)展,智能建筑樓宇在人們的工作和生活中變得越來越重要。在滿足使用者的需求前提下,實(shí)現(xiàn)建筑能耗最小化是智能樓宇的重要目標(biāo)之一。目前,我國建筑照明能耗占到整個建筑電量能耗的25%~35%,照明用電約占全國用電量的13%。在大力提倡節(jié)能減排的行動中,實(shí)現(xiàn)智能光控系統(tǒng)從而降低照明能耗成為必然趨勢[1]。

國內(nèi)公共場所的照明系統(tǒng)大多還是依靠人工來管理,經(jīng)常會出現(xiàn)白天開燈、無人亮燈等情況。此外,目前主流的照明設(shè)備仍然是傳統(tǒng)日光燈,使用壽命短、消耗電能大,這些因素都造成了大量的電能浪費(fèi)。

本文將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED照明系統(tǒng)控制。采用Baja標(biāo)準(zhǔn)的Niagara軟件,其是一種通用且具有豐富功能的系統(tǒng)集成式平臺,可在設(shè)備和Internet之間建立雙向通信,實(shí)時地進(jìn)行設(shè)備信息傳輸和控制智能設(shè)備[2]。選擇更加環(huán)保節(jié)能的LED照明燈作為硬件設(shè)備,通過Web端控制LED燈的開關(guān)、亮度,取代了人工控制,真正實(shí)現(xiàn)“人來燈開,人走燈滅,隨光調(diào)燈”的智能光控[3]。

1系統(tǒng)介紹

這套系統(tǒng)主要基于Niagara平臺的控制器JACE、熱釋電紅外傳感器、光敏電阻等設(shè)備構(gòu)成。本文設(shè)計包括兩個部分:軟件Niagara平臺的邏輯控制和硬件配置。

智能照明控制系統(tǒng)中,以自動控制模式為核心,在Niagara平臺的控制邏輯下可實(shí)現(xiàn)自動控制模式。以人員存在作為輸入信號,并根據(jù)室內(nèi)自然光照強(qiáng)度,判斷是否開啟照明燈。兼容自動和手動控制兩種模式,來滿足特殊情況下的不同照明要求。Niagara平臺可以直觀顯示各設(shè)備運(yùn)行情況和實(shí)時數(shù)據(jù)情況,當(dāng)需要邏輯修改時,可在Web端進(jìn)行遠(yuǎn)程修改[4]。

系統(tǒng)還附有歷史記錄表,可查看所有照明設(shè)備持續(xù)工作時間。當(dāng)設(shè)備臨界使用壽命范圍內(nèi)及時更換或維護(hù)。還可根據(jù)設(shè)備工作時間,做出建筑能耗預(yù)算,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化樓宇管理。

2系統(tǒng)工作原理

2.1系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的主要硬件根據(jù)功能可分為人體感應(yīng)模塊、光照強(qiáng)度模塊和LED驅(qū)動模塊。Niagara作為實(shí)現(xiàn)控制功能平臺,其控制器JACE可將所有非IP裝置和總線設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上,使設(shè)備與云平臺進(jìn)行雙向通信。當(dāng)下位機(jī)收集到人員存在、自然光弱等信號上傳到上位機(jī),經(jīng)過Niagara邏輯判斷,進(jìn)行LED驅(qū)動,點(diǎn)亮照明設(shè)備。同時上位機(jī)可進(jìn)行模式選擇,歷史數(shù)據(jù)查看,修改設(shè)備狀態(tài)等功能,運(yùn)用到下位機(jī)上實(shí)現(xiàn)邏輯控制[5]。

圖1　系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.2系統(tǒng)運(yùn)行模式

(1)手動控制模式。在該模式下,管理者可按啟動按鈕或者停止按鈕來手動控制區(qū)域內(nèi)的燈光開光。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或應(yīng)急狀態(tài)時可使用該模式;

(2)自動控制模式。在自動調(diào)節(jié)模式中,照明系統(tǒng)先進(jìn)行信號檢測,人員是否存在,天然光的光強(qiáng)度。當(dāng)傳感器檢測到有人員移動,并且照明檢測光強(qiáng)<300 lx時,打開設(shè)備。若>300 lx,自然光能滿足照明需求,無需打開設(shè)備;

(3)應(yīng)急照明模式。照明系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)常與門禁系統(tǒng)和消防系統(tǒng)形成聯(lián)動,分為疏散照明和警衛(wèi)照明[6]。照明系統(tǒng)從聯(lián)動請求信號中提取樓層和區(qū)域號,控制照明設(shè)備進(jìn)入應(yīng)急照明模式;

(4)日程表。為增加系統(tǒng)的使用靈活性,可根據(jù)建筑等級和功能,在不同的時間段里來設(shè)定照明設(shè)備的開關(guān)。在節(jié)假日或特殊活動日,系統(tǒng)管理員均可通過日程表進(jìn)行不同時間段和特殊事件的管理,兼容手動調(diào)節(jié)和日程表自動調(diào)節(jié)兩種控制功能。

3控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1邏輯編程

系統(tǒng)程序主要分為兩類:自動控制程序和手動控制程序。

3.1.1自動控制程序

系統(tǒng)設(shè)計的主體是對智能光控的設(shè)計,人體感應(yīng)模塊(MotionSensor)和光照強(qiáng)度檢測模塊(LuminanceSensor)分別可使用布爾模塊(Boolean)和數(shù)據(jù)模塊(Numeric)實(shí)現(xiàn)。光照檢測模塊LuminanceSensor的Out輸出端接入一個比較邏輯模塊(GreaterThan),其目的是使檢測出的光強(qiáng)與建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,以辦公建筑普通辦公室的照明標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx[7],設(shè)置InB為標(biāo)準(zhǔn)值300 lx。比較邏輯模塊的輸出與“非”邏輯塊(Not)相連,判斷是否要開啟設(shè)備。將人感模塊和光照模塊連接至“與”邏輯(And),連接至照明設(shè)備。

在照明設(shè)備的邏輯設(shè)計中,有3個輸入值,In10、In12、In16,依次設(shè)置其優(yōu)先級。最高優(yōu)先級In10連接的是應(yīng)急照明模式和手動模式,可實(shí)現(xiàn)最高優(yōu)先級制動、緊急照明的功能。次優(yōu)先級In12連接的是主體自動控制模式,低優(yōu)先級In16和日程表控制相連,可實(shí)現(xiàn)按時按日智能控制。照明設(shè)備的擴(kuò)展功能中提供了持續(xù)使用時間(BurnTime),可查看設(shè)備使用時間,也可進(jìn)行時間重置操作。

如圖2所示,當(dāng)光照檢測為200 lx時,自然光光強(qiáng)未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)值,比較邏輯塊的輸出連接到“非”邏輯塊,經(jīng)過邏輯判斷輸出True即光強(qiáng)感應(yīng)模塊檢測需要開啟燈光。此刻,人體感應(yīng)模塊檢測有人,整個信號檢測模塊經(jīng)邏輯與判斷輸出True,將該輸出連接至LED設(shè)備In12輸入。按照優(yōu)先級排列,打開LED設(shè)備。

在控制過程中,加入PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過測試,參數(shù)設(shè)定如下:P值為90,I值在0.8~1.2之間,D值為0.2。在該參數(shù)下,實(shí)際值到達(dá)設(shè)定值的調(diào)節(jié)過程是逐步的,能防止超調(diào)過高引起燈光忽高忽低而使人感覺不適。

3.1.2手動控制程序

系統(tǒng)中手動控制模式和應(yīng)急照明模式,在Niagara都能通過OverrideSwitch布爾功能邏輯模塊來實(shí)現(xiàn),模塊功能設(shè)置如圖3所示,可根據(jù)模式選擇,進(jìn)行緊急制動或緊急啟動,確保建筑內(nèi)照明安全。

圖2　Niagara平臺自動控制模式

圖3　Niagara平臺手動控制模式

3.2硬件配置

(1)LED驅(qū)動。LED驅(qū)動采用TPS6106X驅(qū)動系列,這一系列是帶有數(shù)字和PWM調(diào)光控制的恒流LED驅(qū)動器。在其信號頻率不變的前提下,改變一個脈沖周期內(nèi)高電平的時間,改變PWM占空比。使電流源以通或斷的重復(fù)脈沖序列加載到LED燈上,改變其平均電流,實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光[8-9];

(2)人體感應(yīng)檢測。選取熱釋電紅外傳感器,它是一種基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。當(dāng)人體在傳感器檢測范圍內(nèi)移動時,傳感器能檢測出人體輻射的紅外線能量的變化,并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出,后續(xù)電路經(jīng)檢測后可表示該區(qū)域內(nèi)有人員活動;

(3)光照強(qiáng)度檢測。選擇光敏電阻作為采集光照信號的傳感器,用光敏電阻測出在不同的光照強(qiáng)度下不同的電阻值,在直流電路中串聯(lián)光敏電阻,根據(jù)分壓原理不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值,將對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號的處理[10]。

4基于Niagara平臺的燈控系統(tǒng)仿真

4.1系統(tǒng)界面

系統(tǒng)的界面包括系統(tǒng)總覽、模式選擇、報警信息、歷史記錄和日程表。系統(tǒng)總覽中包括選擇相應(yīng)樓層的樓層概覽圖,可直觀地顯示了每個房間的照明燈開光情況,通過點(diǎn)擊相關(guān)房間照明指示圖進(jìn)行開關(guān)燈操作。在界面上還能進(jìn)行快速模式選擇、日程表查看等操作[11]。

4.2仿真驗(yàn)證

在日程表中,可以查看不同時段的對應(yīng)狀態(tài)。圖5中顯示,在凌晨0點(diǎn)～7點(diǎn)Out為False,在其他工作時間段Out為True。在Special Events選項(xiàng)中,可設(shè)置特定日期如節(jié)假日、活動日等安排,并具有最高的優(yōu)先級。

當(dāng)發(fā)生緊急情況時,實(shí)時報警狀態(tài)將會發(fā)出閃爍指示燈并提示啟動應(yīng)急照明模式,樓層所有燈光打開。由仿真結(jié)果可知,該系統(tǒng)內(nèi)部功能穩(wěn)定,能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作,達(dá)到了預(yù)期效果。

圖4　系統(tǒng)總覽

圖5　日程表

圖6　應(yīng)急照明模式狀態(tài)

5結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了LED燈光智能控制系統(tǒng),對系統(tǒng)各硬件檢測功能進(jìn)行分析,確定邏輯設(shè)計方案。其中,人體感應(yīng)檢測模塊和光照強(qiáng)度模塊,通過Niagara平臺的內(nèi)部邏輯編程,能實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的系統(tǒng)整合。Niagara系統(tǒng)控制界面可直觀體現(xiàn)各區(qū)域照明狀態(tài),兼

容手動、自動以及不同需求下功能模式的轉(zhuǎn)換,為智能化建筑控制提供了良好的系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)還需要與智能樓宇的其他控制功能,如門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)實(shí)踐相結(jié)合來逐步改善。

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中圖分類號TP273+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-093-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.024

作者簡介:戴文婷(1991—),女,碩士研究生。研究方向:工業(yè)控制,物聯(lián)網(wǎng)。王亞剛(1967—),男,博士后,教授。研究方向:先進(jìn)預(yù)測控制等。

收稿日期:2015- 07- 16