摘要：提高照明系統的管理效率及照明質量，能夠滿足在不同場合、不同時間下人們對照明效果的要求，實現綠色照明、節能照明。借助組態王軟件，完成各控制模塊以及監控界面的設計，并在異常天氣模塊中引入了模糊控制理論;以LonWorks總線技術為基礎，對智能節點進行開發，并對智能節點所屬的LON與上位機所屬的LAN進行網絡集成，提出了一種基于LonWorks總線技術的LED節能照明控制策略。該策略有效地解決了以往照明控制策略中的由于外界光照度不穩定引起的在不準確時間內開關燈、場景照明不夠靈活等問題。滿足了人們對場景照明的要求，實現了照明系統的模塊化控制和遠程監控，提高了照明系統的管理效率。

　　1　引言

　　據統計，我國能源供求緊張主要表現在電力上，而我國電能總消耗量的1/6用于照明。綠色照明、節能照明是現代社會發展的必然趨勢。

　　每種控制功能都有相應的控制策略。景春國等研究了異常天氣時按日出日落時間控制路燈時所存在的路燈不能提前打開和延遲關閉的問題，提出了采用SCADA系統的城市路燈自動控制策略，該策略通過控制照明光源在合適的時間內開啟與關閉達到節能的目的，但沒有考慮到整個照明過程中照明光源的光照度不合適也會導致能源浪費的問題;王金光等以“綠色照明”為出發點，提出了一個天然采光和人工照明相結合的智能策略，選擇一間典型的辦公室為試驗對象，用BP神經網絡建立模型，根據室內天然光的照度水平，自動控制燈具調光輸出和遮陽設備狀態，實現工作區域恒照度的目標，該策略適用于室內照明，而室外照明需要考慮更多的不穩定因素;劉曉勝等對城市道路照明進行了研究，提出了一種場景照明控制策略，并將其實現，該策略通過場景控制達到提高照明質量和節約電能的雙重效果，但沒有考慮到故障報警的問題，影響了整個系統的智能化程度;陳鳴等研究了綠色照明光源LED的控制策略，主要討論了幾種LED控制方式，分析了相應電路的工作原理，找出比較節電的控制方式，著重指出適合太陽能LED 照明系統的控制方式，該策略通過合理的LED的控制電路實現了節能，但缺乏對控制策略的研究。

　　綜合考慮整個照明控制系統的控制功能，通過異常天氣情況下能夠及時無誤地開、關燈以及場景照明的實現，達到綠色照明、節能照明的目的。本文以LED 燈為被控對象，借助組態王軟件，結合模糊理論，提出了一種基于LonWorks總線技術的LED照明控制策略。該策略實現了照明系統的模塊化控制和遠程監控，提高了照明系統的管理效率，最終實現了綠色照明、節能照明。

　　2　基于LonWorks的照明控制系統

　　本文所提出的基于LonWorks總線技術的LED照明控制策略，充分利用了LonWorks總線技術的介質多樣性、通信協議開放性、核心器件神經元芯片強大的控制和通信能力等特點，并且是在基于LonWorks總線技術的照明控制系統中得以實現的。

　　基于LonWorks總線技術的照明控制系統主要由3部分組成：上位機、下位機和路由器。在上位機上，借助組態王軟件，完成各功能模塊(照明控制策略)以及監控界面的設計，各功能模塊所要實現的功能通過監控界面顯示給管理員及用戶，為系統的遠程監控提供基礎;在下位機上，借助節點開發工具Node Builder，完成智能節點的開發，進行被控對象LED 燈及光照度傳感器LonWorks與網絡(LON)的連接;上位機所屬的LAN采用的是TCP/IP協議，下位機所屬的LON采用的是LonTalk協議，為了實現智能節點上的LED燈的控制參數值與各功能模塊對應參數值之間的交換，實現系統的遠程控制，因而必須進行協議轉換，路由器完成了LonTalk與TCP/IP協議之間的轉換，實現了LON與LAN的集成。整個控制系統的框架如圖1所示。

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　　3　照明控制策略設計與實現

　　照明控制策略的設計思路是：首先判斷當日是否是節假日或是否是被設定的需要場景照明的日子，若是則調用場景照明模塊;若不是判斷當日的天氣是否屬于異常天氣，若是就調用異常天氣照明模塊;若不是則按照正常時間表開燈。設計思路流程如圖2所示。場景照明模塊具有綜合性和靈活性，不同路段燈的控制變量是不同的，燈的具體亮暗度、色彩以及不同場合開關時間是根據具體情況進行設定的;異常天氣模塊中引入了模糊控制理論，將開燈所要求的光照度設為范圍域而不是具體的點值;時間表是參照不同季節當地日出和日落時間進行的設計;各個模塊中都設有故障報警和調用省電模式模塊的功能，一旦系統出現故障，管理員將在第一時間內了解情況，近午夜時分，人流量變小，切換為省電模式，并在省電模式模塊里按照相應季節和實時的天氣情況設置關燈時間;該策略借助組態王軟件，完成了各功能模塊程序代碼的編寫。

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　　圖2　設計流程圖

　　異常天氣的判斷需要將外界環境的光照度值與開、關燈時需要的光照度設定值進行比較，外界環境光照度的不穩定，會引起在不合適的時間點開、關燈。模糊理論的描述是建立在自然語言的基礎上，所使用的規則更接近人們的思維習慣，模糊推理過程是采用模糊邏輯由給定輸入映射到輸出的過程，不需要精確的模型。在異常天氣的情況下，為了能夠及時、無誤地控制燈的開與關，本文根據模糊控制理論來建立異常天氣模塊的控制模型。

　　3.1　模糊控制模型的設計原理

　　模糊控制模型的核心是模糊推理，而模糊推理的實質是一個輸入為e和ec、輸出為Eo的控制模型。異常天氣模塊的設計原理是：將外界環境的光照度與開燈所需要的光照度設定值進行比較，將得到的差值e及差值變化率ec作為模糊推理部分的輸入量，通過模糊規則表進行模糊化，得到輸出量Eo;將Eo直接作用在LED燈上，如果Eo在允許開燈的閾值內，則發出開燈信號給LED燈，LED燈開啟，否則，LED燈仍然處于關閉狀態;如果LED燈開啟后則發信號給采集外界自然光傳感器的控制開關，停止對外界自然光進行采集，停止比較，否則，繼續采集外界自然光，繼續比較，直至LED燈開啟為止。

　　模糊控制原理如圖3所示。

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　　3.2　模糊推理

　　照度偏差函數E：

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　　式中：θt(k)為外界環境的實際光照度;θ(k)為設定的光照度值。

　　照度偏差變化率函數EC：

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　　式中：T為采樣周期。

　　e的基本論域為[0.500]，語言變量E的論域X=[NB,NS,Z,PS,PB];ec的基本論域為[-25,25]，語言變量EC的論域B=[NB,NS,Z,PS,PB];輸出函數eo的基本論域為[-1,1]，語言變量Eo的論域Z=[N,Z,P]。輸入、輸出變量的隸屬度函數均采用三角形，圖4所示為E，EC，Eo的隸屬度函數表。對于兩輸入單輸出的模糊控制模型而言，控制規則可以寫成：

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　　模糊控制規則表如表1所示，模糊控制的空間分布如圖5所示。

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　　3.3　仿真

　　以階躍輸入驗證該系統的穩定性，仿真結果如圖6所示，圖6中曲線1，2分別為未加模糊控制、加模糊控制的響應曲線。圖6表明，加模糊控制后調節時間減少，能夠更快地達到平衡，整個系統性能穩定。

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　　4　智能節點開發過程

　　智能節點是LonWorks網絡最基本的控制單元，上接LonWorks網絡，下接光照度傳感器和LED燈(執行器)。為了獲得以及處理光照度傳感器采集到的數據，進而對被控對象LED燈進行控制，本文借助節點開發工具Node Builder對智能節點進行開發，開發過程為：利用Neuron C(一種以ANSI C為基礎的擴展C語言)編寫相應的控制程序，并將其存儲在神經元芯片的程序存儲器中;將光照傳感器采集到的光照度作為輸入量，通過I/O接口，傳輸給神經元芯片，調用存貯在芯片內部的相應程序對它進行處理，得到PWM 信號，經過I/O接口輸出，將PWM 信號通過驅動電路作用到LED光源上，根據LED實際的亮度與當時當地LED應該具有亮度設定值之間的差值，調節PWM 信號的占空比，實現光源亮度的控制與調節，保證LED燈的光照度符合路人視覺要求;I/O同時輸出開關信號，控制LED光源的開啟與關閉;用雙絞線收發器實現了智能節點與LonWorks網絡的連接。智能節點的開發過程如圖7所示。

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　　通過智能節點的開發，實現了對被控對象LED的直接控制和對LED燈光照度的調節，為路人提供了一種舒適的照明光照度。

　　5　網絡集成過程

　　為了實現系統的遠程監控、提高管理效率，本文借助了LonMark組網界面進行網絡的集成。

　　整個過程為：LonWorks網絡中所有智能節點的地位是同等的，當神經元芯片的服務腳處于工作狀態時，LonMark組網界面中的智能節點被激活，它們按照LonTalk協議可以實現點對點的數據傳輸，用戶通過LonMark中的Brower可以瀏覽到以列表形式存在的各智能節點狀態值;借助路由器完成LonTalk與TCP/IP之間的協議轉換，實現了LON 與LAN 之間的網絡集成，LED燈的實時狀態值通過數據交換服務器(Lon DDEserver)可以實現與各功能模塊中相應的控制變量進行交換。整個網絡集成過程如圖8所示。通過網絡的集成，各功能模塊的功能可以通過LED燈現場實現，LED燈的控制變量的實時情況將通過監控界面顯示給管理人員，同時管理人員可以通過在上位機上修改各功能模塊的控制變量，間接控制LED燈，實現系統的遠程監控。

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　　6　結論

　　該策略借助組態王軟件，設計各功能模塊以及監控界面，為照明控制系統實現場景照明和遠程監控提供基礎，并在異常天氣模塊中引入模糊控制理論，有效地解決了由于外界光照度不穩定而引起的在不準確時間開關燈的問題;利用節點開發工具Node Builder，對智能節點進行開發，解決了光照度傳感器和LED 燈到LON 的連接問題;在LonMark 界面內，進行LON與LAN的網絡集成，解決了LED燈的控制參數與各控制模塊中相應的控制參數進行轉換的問題。該策略實現了照明控制系統的模塊化控制和遠程監控，在提高照明質量和管理效率的同時達到了節能效果。