基于能源效率和用户满意度的智能家居照明系统外文翻译资料

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出版社：IEEE

出版日期：03/25/13

期刊：IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2013, 59(1):70-76.

基于能源效率和用户满意度的智能家居照明系统

作者：Jinsung Byun, Insung Hong, Byoungjoo Lee, and Sehyun Park, Member, IEEE

摘要

节能已成为当今最重要的问题之一。而最浪费的能量是由消费电子产品的低效使用引起的。尤其是灯的耗能，占总能量消耗的很大一部分。由于过去所安装的照明系统已经过时且能量低效，当前市场中开始引入了各种光控制系统。然而，由于建筑限制，现有的光控制系统不能成功地应用于家庭和办公建筑物。因此，本文提出了一种考虑能效和用户满意度的智能家用LED照明系统。所提出的系统利用了多个传感器和无线通信技术以便根据用户的状态和周围环境来控制LED灯。所提出的LED照明系统可以自主地调整最小光强度值，以提高能量效率和用户满意度。我们在测试台上设计和实现了所提出的系统，并测量总功耗以验证性能。提出的LED照明系统将试验台的总功耗降低到21.9％。

关键词: 家用LED照明系统，态势感知，最小光强控制，自适应中间件

一、介绍

近年来，由于气候变化和全球变暖等环境问题[1]-[4]，节能解决方案变得越来越重要。环境问题是非常重要的问题，而这些问题主要是由于过度使用能源引起的。

光能占世界总能源消耗的约20％[5];因此对节能照明系统的相关研究已经由世界各地的研究人员完成[7]-[14]。发光二极管（LED）的发明期望能显著地减轻灯的能量消耗，因为与荧光照明装置相比，LED照明装置消耗仅需50％的能量消耗。

近年来，使用各种传感器和通信模块的智能照明控制系统在大学和工业中被积极地研究和开发[6]。智能照明控制系统可以通过情境感知自动控制照明强度，例如对用户移动或周围环境亮度的了解来进行调整，从而降低能耗。美国能源部的技术报告显示，根据用户的生活模式，通过光线控制可以减少总能耗的15％。然而，由于现有的照明控制系统仅能够根据用户移动或周围环境的亮度来支持简单的开/关或调光控制，因此难以应用于诸如房子或办公室的复杂环境。复杂的环境因为存在着各种用户，也就意味着有各种控制要求。由于现有系统的这种限制，它们大多安装在诸如前门或走廊的地方。此外，由于现有系统的设计没有考虑用户的满意度，因此不适于诸如房屋和办公室的地方，其中用户满意度比节能所产生的成本效益更重要;因此应设计一个新的智能照明控制系统能同时考虑到能源效率和用户满意度。

综上所述，新型智能照明控制系统的设计目标如下：

- 新的智能照明控制系统应设计为最大限度地利用LED。

- 新的智能照明控制系统应设计具有通信能力。

- 新的智能照明控制系统应根据情况意识设计控制。

- 新的智能照明控制系统应设计为提高能源效率和用户满意度。

因此，本文提出了一种考虑能效和用户满意度的智能家用LED照明系统。所提出的系统利用多个传感器和无线通信技术实现根据用户的状态和周围环境来控制LED灯。提出的LED照明系统可以自主调整最小光强度值以提高能量效率和用户满意度。

本文的组织结构如下：第二部分讨论现有智能照明控制系统的相关工作;在第三部分中，我们讨论现有系统的问题;然后提出新的的智能家居照明控制系统以及系统架构和重要算法;在第四节中我们介绍系统实现和测试台;在第五节中，我们讨论一些案例研究和实验;最后我们在第六节得出我们的结论。

二 、相关工作

当前已经有了许多关于照明控制系统的研究。 Pan等人[7]提出了一种用于室内环境的基于无线传感器网络的智能光控制系统。这种灯光控制系统能够根据用户的活动和配置文件管理照明设备。此外还提出了两种算法（照明决策算法和设备控制算法）来满足用户的需求并节省能源。Uhm等人[8]提出了一种具有光传感器，运动传感器和网络接口的LED灯系统。该光控制系统可以基于周围的亮度和居民的移动来控制LED光的照明强度。 Park等人[9]提出了基于建筑自动化和控制网络（BACnet）的照明控制系统。 Matta等人[10]提出了一种具有详细设计的光控制系统，通过控制照明强度来节能。在本文中，通过使用控制器局域网（CAN）总线作为通信媒介，引入了一种逻辑低成本设计，以节省考虑日光照明的电能。 Bellido-Outeirino等人[11]提出了使用具有无线传感器网络的数字可寻址照明接口（DALI）设备的建筑物照明自动化系统。此外还有一些关于路灯控制系统的研究。 Leccese [12]提出的遥控系统可以优化街道照明系统的管理和效率。它使用ZigBee通信，实现更有效的路灯系统管理。另外，还有一些关于照明系统能效评价的研究。 Delaney等[13]提出了一种无线传感器网络作为评估工具，可以帮助以低成本分析和评估现有照明控制系统的能效。 Denardin等[14]提出了一种基于无线数据网络的智能路灯控制和监控系统。该系统通过集成ZigBee兼容收发器将现有的街道照明系统增加通信能力，以便将每个街道照明系统转入大型无线网络的节点。

用于当前市场中的节能的照明控制系统可以在检测到照明的对象或强度之后管理照明设备或者以时间设置进行控制，从而支持开关和调光控制。此外，尽管大多数现有系统具有可变控制参数，但是用户难以修改这些参数，因此不适用于各种场所。此外，虽然最近研究了使用中央管理服务器或传感器网络的照明控制系统，但是它没有商业化或工业化，甚至商业化产品过度集中到中央管理服务器。

三、智能家居照明系统

我们设计了具有运动检测传感器，照明传感器和无线通信接口的智能家居LED照明系统。 在介绍系统架构和重要方案之前，我们将讨论照明系统的问题。

A.问题描述

图1示出了所提出的系统的基本操作原理。 系统控制和状态变量为：

Lmin最小光强;

Lmax最大光强;

Tr上升时间段的光强;

Tm没有运动检测到光强度开始下降的时间段;

Tf下降时间周期的光强;

图1.提出的系统的基本操作原理。

所提出的系统基本上是根据用户移动和周围环境的亮度来控制照明设备的照明强度。 也就是说，当照明装置的照明强度的最大值为Lmax，最小值为Lmin时，如果检测到用户移动，则照明强度变为Lmax，如果在一定时间段内没有检测到用户移动，则照明强度变为Lmin。 如图1所示。 如图2所示，可以确认当Tr较长，Tm和Tf较短，Lmax和Lmin较小时，节能效果变得更大。 然而，这意味着由于频繁的灯开/关，以及暗的室内环境等，用户的不便可能更大的可能性，而节能效果变得更大。 因此，必须根据空间环境特性（频繁或罕见的用户移动，工作类型等）适当地设置该值。

图2.根据Lmax，Lmin，Tr，Tm和Tf的能量减少量的比较

图3.提出的系统概述

B. IHLS概述

我们提出了一种使用各种传感器和无线通信技术的智能家居LED照明系统。 图3示出了所提出的照明系统的概况。 主要特点如下：

bull;基于用户运动的自动控制

bull;基于房间亮度的自动控制

bull;系统控制和状态变量的自动优化。

bull;集中控制使用无线技术

bull;通过无线控制器和手机应用程序进行控制和系统设置

所提出的系统可以通过与关于用户的状态和环境（例如，房间的亮度）的信息的交互来减少能量消耗。自主控制可能导致居民的干扰，因此，所提出的系统可以自主地优化系统控制和状态变量，特别是Lmax，Lmin，Tr，Tm和Tf，以便增强能量效率和用户满意度。

C.最小光强控制算法

图4示出了需要不便信号和倒计时定时器的最小光强度控制算法的流程图。当他们感到不便的照明的亮度时，通过智能电话从居民接收到不便的信号。倒计时器可以在给定时间量过后中断系统。

所提出的最小光强度控制算法通过智能电话输入的用户不便的信号自动调节Lmin。最近感到不便的照明的照明强度的值为Lminincon，而在一定时间段内没有感到不便的照明强度的值最迟为Lmincon。 初始Lmin0和Lminincon被设置为零，并且初始Lmincon被设置为Lmax。 程序由五个步骤组成。

步骤1.首先，检查是否发生了不便的信号。如果发生不便的信号，则Lminn =（Lmincon Lminn-1）/ 2，Lminincon = Lminn-1，n = n 1，并且计时器= T。然后再次检查是否发生了不便的信号。

步骤2.检查是否有不便之处。如果发生了不便的信号，则如步骤1中的Lminn =（Lmincon Lminn-1）/ 2，Lminincon = Lminn-1，n = n 1和timer = T。如果不出现不便的信号，则检查定时器是否等于零（即，给定时间量T的期满）。

步骤3.检查定时器是否等于零，如果定时器等于零，则Lminn =（Lminincon Lminn-1）/ 2，Lmincon = Lminn-1，n = n 1，timer = ，检查Lmincon减去Lminincon是否小于5。如果定时器不等于零，请再次检查是否发生了不便的信号。

步骤4-1.在检查Lmincon减去Lminincon是否小于5之后，如果Lmincon减去Lminincon小于5，则终止该流程图。如果Lmincon减去Lminincon不小于5，则执行步骤4-2的处理。

步骤4-2.检查是否有不便之处。如果发生了不便的信号，则Lminn =（Lmincon Lminn-1）/ 2，Lminincon = Lminn-1，n = n 1并且计时器= T.如果没有发生不便的信号，重新回到步骤3。

图4.最小光强度控制算法的流程图

通过此算法可以导出Lmin的值，其可以最大程度地节省能量，而不会通过所提出的算法对用户造成不便。

D.中间件架构

对于传统的LED照明产品，他们往往使用低成本的MCU来开发，以降低生产单价; 因此，它们具有计算资源或存储资源的可用性有限的缺点。为了解决这个问题，我们设计了自适应中间件的平台，可以通过自动控制或管理员根据外部环境变化的远程控制来更新内部程序。自适应中间件平台由执行控制LED的LED控制模块组，可以通过外部环境或管理员的远程命令改变的自适应中间件组，以及管理用于情境感知和LED控制的各种数据的表组三部分组成。图5示出了所提出的系统的自适应中间件平台。

图5.提出的系统的自适应中间件平台

1）LED控制模块组

- 网络模块：与ZigBee和RS485串行相关的模块，用于与外部控制系统通信。 该模块处理通信的中断和消息。

-Manager模块：在内部处理从自适应中间件组的管理器传送的控制命令，并将其转换为用于通信和控制的形式，并且具有管理传送的消息的冲突或丢失的作用。

-PWM模块：执行生成和稳定LED信号的LED控制的作用。 它还具有从自适应中间件传送并从表格组检索的数据中来生成控制实际LED的信号的作用。

2）自适应中间件组

- 中间件：它是拥有自适应中间件的核心功能的模块。基本上，它主要用于管理器管理，管理器调度和对管理器使用的表的访问控制。它在从外部管理服务器接收到控制消息时登记和激活管理器。它还执行根据从管理服务器传送的命令删除现有管理器的作用。此外，它执行与外部管理服务器的认证相关的角色。

- 管理组：该组可以实时注册和删除自适应中间件组中的管理器。照明传感器管理器在接收到从传感器模块，相邻照明系统或管理服务器感测的数据时执行收集来自传感器的照明强度的值或制定用于控制的规则表的作用。此外，该组用于管理内部参数表的照明强度的值。时间同步管理器是与基于时间的控制相关的管理器。它在与外部控制系统的时间同步中起作用，并且在共享表中形成用于基于时间的控制或更新时间信息的规则表。运动传感器管理器以与照明传感器管理器相同的方式在管理从运动传感器收集的信息中起作用。

3）表组：

-Rule表：它存储控制信息的规则。 它由基于时间和基于传感器的规则组成，并与PWM模块相连。

-Share表：这是存储要在模块之间共享的信息的表。 它存储共享的必要信息，例如实时感测信息或与管理服务器的连接信息。

-变量表：它是存储用于在模块之间传输信息的变量数据的表。

-参数表：这是存储控制和网络状态的表。 它存储各种参数，如网络地址，传输计划，传输缓冲区等。

图6.拟议系统的执行; （a）原型（b）安装（c）硬件框图

1. 实现与测试平台

A.实现

图6示出了所提出的系统的原型和硬件框图。主处理器部分采用8位微处理器。这部分在情境分析，事件处理和学习中起作用。这部分优化控制和状态变量以适应各种环境。传感器部分由各种传感器组成。为了提供上述节能服务，基本上需要两种传感器，即运动检测传感器和照明传感器。 ZigBee（250 kbps / 2.4 GHz）模块用于与其他LED照明系统和网络设备通信。 LED驱动器部分由用于驱动LED的电流控制器模块组成。有两个端口是可控的，并且能够控制255个亮度级别。功率部分由功率调节器和SMPS组成。

图7.提出的系统的PCB布局

所提出的智能LED照明系统具有八个开关，如图7所示，并且可以调整可变系统控制参数，即Lmax，Lmin，Tr，Tm，Tf和倒计时定时

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