路灯节能智能控制系统

易洛		李英英
自动化与电子信息学院	自动化与电子信息学院
四川理工大学	四川理工大学
自贡，四川 643000，中国	自贡，四川 643000，中国

摘要: 为了减少照明设备的使用，采用模糊控制算法设计一种智能照明节能控制系统。该系统采用可变反应器分离高压侧和低压侧, 通过改变低压侧电压来控制高压侧的电压，实现节能灯照明的连续控制。通过仿真对系统进行研究，结果表明该系统是合理有效的。

关键词: 模糊控制; 变电抗器; 节能; 仿真

简介

用微分方程描述了经典控制系统，然而大多数动态系统存在着不确定性。为了刻画有白噪声的系统，通过它的随机微分方程引入了随机控制系统。因此，随机控制理论被发展到寻找控制这种系统的最佳方法，并被广泛应用于物理、生物、经济和管理问题。

正如我们所知，模糊性是现实生活中的另一个不确定性，模糊控制理论已应用于工业生产中。这里将模糊理论应用到控制系统的建模中。

传统上，基于规则的模糊系统被 Zadeh [1] 使用。模糊模型使用 “If-so” 规则和逻辑连接来建立为系统模型定义的变量之间的关系，根据命题的形式和规则库的结构,可以区分不同类型的基于规则的模糊模型。

过去有两种流行的模糊控制系统。首先是 Mamdani 模糊控制系统 [2]，它使用了一组语言控制规则来控制蒸汽机和锅炉的组合。在这个系统中，前因和后因都是模糊命题。

另一个是 Takagi-Sugeno 模糊控制系统 [3]，它介绍了从给定的输入输出数据集生成模糊规则。在这个系统中，结果是清晰的函数前变量它比模糊命题。

本文提出了一种模糊控制系统。该系统由光学传感器、噪声传感器、智能控制单元、可变电抗器和轻载等元件组成。光学传感器通过 A/D 转换器检测光面信息并将其输入智能控制单元，以决定是否激活系统。系统启动后，噪声传感器检测光面信息，并将其输入智能控制单元。智能控制单元实时处理道路交通信息，实现模糊控制，并在 MATLAB 中进行仿真，结果表明该系统合理有效。

智能照明节能控制系统

如图 1 所示，系统由光学传感器、噪声传感器、智能控制单元、可变电抗器和轻负载。光学传感器通过 A/D 转换器检测光面信息并将其输入智能控制单元，以决定是否激活系统。系统启动后，噪声传感器检测光面信息，并将其输入智能控制单元。智能控制单元对模糊控制的道路交通信息进行实时处理，然后将相应的控制信号转化反应器。通过改变低压侧电压控制高压侧电压，实现节能照明的连续控制。

一个工艺设计

智能控制单元由单片机、传感器、 A/D 转换器、 D/A 转换器等组成。 (其结构如图 2 所示)。该系统的软件由两部分组成，其中一部分是监控计算机，另一部分是下位机。上位机主要负责人机交互，其控制芯片为 P89LPC938，下位机负责晶闸管触发控制，控制芯片为 AT89S52。它通过串口与监控计算机通信。

照明节能由智能控制单元和变换反应器控制。其结构如图 3 所示。

为了减少干扰，开关输入和隔离电路如图 4 所示。

功率转换由功率器件、触发模块等器件构成。调整晶闸管控制角度，控制可变电抗变压器的二次线圈电流大小。然后，通过改变光线的电压来控制照明。其结构如图 5 所示。

B 软件设计

系统启动后，进入主菜单。到设置按钮，它进入子菜单来执行相应模块的功能。

外部实时信息不断地被发送到SCM中。

当满足一定条件。模块的功能是运行。通常，命令通过运行而执行 (1)循环结构。软件模块显示在以下。

{

If (条件 1)

Action_1 ();

If (条件 2)

Action_2 ();

hellip;

If (条件 n)

Action_n ();

}

系统模块主要由主程序组成模块、 LCD 模块、键盘扫描模块、日历/时钟芯片模块、监控下位机通信模块、过零检测模块、过流保护模块。主要流程图如图 6 所示，通信流程图如图 7 所示。

C 模糊控制设计

模糊控制图如图 8 所示。正大 (PB) 、正小 (PS) 、零 (0) 、负小 (NS) 、负大 (NB) 定义为模糊语言值集。噪声误差 (e) 和控制量 (u) 是 witin 领域 [-3,3]，语言变量隶属函数图如图 9 所示。

X 定义为噪声误差域，Y 定义为控制量 (您) 的 demain。模糊关系 (R) mapp X 到 Y。矩阵的噪声误差 (e) 和控制量 (u) 如下所示。

从洛杉矶来的Zadeh 方法我们知道

通过 E 和模糊关系矩阵生成控制量，实现模糊控制。

D 实验和结果

我们设计了一个类似于实际场景的环境 (仿真模型如图 10 所示)。

图 10 系统仿真模型

P1 到 P6 是触发电路发送到晶闸管的信号。他们的阶段是其次是 60 度的差异。 vt1和 VT4 之间有 180 度，所以 VT3 和 VT6 、 VT5 和 VT2 是。

在模糊控制之前，灯光两侧的电压波形如图 11 所示。当模糊控制后的触发角为 45 度时，如图 1 所示。通过调整晶闸管触发角来控制照明亮度，可以改变灯的电压。

图 11 灯的电压波形

模糊控制前

本文设计了一种智能照明节能控制系统，它采集光亮信息和噪声信息，以此决定是否激活系统，并根据交通信息控制照明灯。通过仿真对系统进行了研究，其结果表明该系统是合理有效的。

参考

1. Zadeh LA，概述了一种新的方法来分析复杂的系统和决策过程，即交易系统，人和控制论，Vol.3，28-44,1973。
2. Mamdani，E.H.,模糊算法在简单动态装置控制中的应用，程序 IEE，数字 121,1585-1588,1974。
3. Takagi，T.和 Sugeno，M.，系统的模糊识别及其在建模和控制中的应用
4. 海州。路灯节能智能控制系统 [D].武汉工业大学，2009。
5. 王亚兰.智能路灯控制系统研究 [D].武汉工业大学，2008。
6. E.A.van der Laan 和所罗门 M.，再制造和处置的生产计划和库存控制，欧洲运筹学杂志，Vol.102，264-278,1997。

基于 ZigBee 的无线传感器网络在 LED 路灯控制系统中的应用

青岛科技大学自动化与电子工程学院，青岛，中国

电子邮件: peakfan@163.com 和 gy0706@126.com

摘要-随着城市化的快速发展以及城市规模和人口的不断扩大，照明消费和用电成本的不断增加，使我国能源供应日益紧张。街道照明系统是城市基础设施不可缺少的一部分，作为市政公共设施的一部分，它与人们的日常生活息息相关。本文介绍了一种控制路灯照明系统技术的发展，指出了目前该技术的不足之处。提出了一种基于 ZigBee 的无线传感器网络在 LED 路灯照明系统中的实现方法，并研发了一种 LED 路灯节能控制系统。最后针对上述情况，设计并讨论了一种基于 ZigBee 的无线传感器网络的体系结构。

关键词 ZigBee 技术; 无线传感器网络; LED 路灯控制系统; 节能; 绿色照明

一 自我简介

目前城市路灯控制系统大多采用有线网络布局，不仅施工复杂，灵活性差，还会产生能源浪费问题。传统的路灯控制方式包括人工控制、时间控制、电力线载波控制、 GSM (全球移动通信系统) 载波方式短消息控制和 CDPD (蜂窝数字分组数据)。等 [1]。人工模式根据时间表手动打开或关闭灯。时间控制模式将时间视为打开或关闭灯光的唯一因素。电力线载波控制方式易受强磁场干扰。GSM 短信控制必须通过手机进行，具有较高的成本。上述五种再见存在的问题传统的街道照明控制方式是: 运行结果不能集中监控，记录统计不能达到量化管理要求，不能满足现代城市发展的要求。随着绿色照明理念已成为当今照明行业的必然趋势,

建立一个能够实现路灯集中控制、检测和管理功能的路灯节能监测系统是十分必要的。ZigBee 技术结合新型的各种传感器和电源控制器，可以实现远距离路灯智能控制的目的，节约大量的电能和能源。由于相应的控制网络保证了每条街道灯光的及时和按需启动，该技术可以有效地节省电力，延长舱壁寿命，降低维护成本。

二 ZIGBEET技术

ZigBee 技术具有功耗低、复杂度低、传输速率低、通信可靠、网络容量大等特点，可以为 led灯控制系统提供合适的解决方案。ZigBee 是基于 802.15.4 协议栈 [2] 的标准，具有强大的组网功能，支持三种主要的自组织无线网络, 包括星型结构 (如图 1 所示) 、网格结构 (如图 2 所示) 以下方式

1. 类簇结构 (集群树)。尤其是网络结构具有较强的网络鲁棒性和可靠性。

图 1.ZigBee 星型网络结构。

上述网络的特点如下: 星型网络适用于点对点、点对点的通信。在这个网络中，中心节点是 ZigBee 协调器，终端节点是 ZigBee 终端设备; 所有的数据都经过中心节点以适合圆形, 分散和短距离的网络设备。

Mesh 网络结构采用多跳路由实现通信，网络容量大，能够跨越较大的物理空间，适合远距离、更分散的结构。

网状网络拓扑结构强大。只要网络的所有实体都停留在通信范围内，它们就可以相互通信，而如果没有直接的路径, 他们也可以通过 “多跳” 方法进行通信。拓扑结构也可以形成非常复杂的网络; 此外，网络还具有自组织和自愈的功能。

然而，在路灯控制系统中，由 ZigBee 技术和传感器技术组成的网络仍然存在以下问题:

1. 一种特殊的传感器可以实时采集光照强度，在特殊情况下，无需人工干预，大大降低了开启和关闭的错误概率。
2. ZigBee 技术采用直接序列扩频 (ds) 来保证信号传输的可靠性，避免了其他信号的干扰。

三、LED照明控制系统工程

目前，主要城市交通灯节能效率低的问题十分普遍，而采用 ZigBee 技术对 LED 路灯进行控制是解决这些问题的一种方便可靠的有效方法。通常，LED 照明控制系统包括传感器模块、无线收发和处理器控制单元、 LED 驱动电路和照明单元、路灯监控控制中心等部分组成。

单位和管理系统单元。该系统采用无线 mesh 网络拓扑结构对街道上的多条线路进行控制，其中控制中心监控系统被认为是整个系统的协调器，具有多个 FFD (全功能设备)。设备作为路由节点，RFD (减少功能设备) 设备作为终端节点。网络协调器负责网络的建立和网络管理，显示与自动控制相关的控制信息以及当前无线网络系统的路灯情况。FFD 路由节点可以安装在道路旁，串联控制器作为无线中继节点连接, 其中可以将每个节点的下一级信息上传到远程控制 [3]。同时，它可以作为微管上的光极，是控制灯的开启和关闭。为了降低成本，RFD 节点作为系统的终端节点，并放置在道路的末端; 他们接收无线电信号按照指令状态来控制自己的灯, 如图 3 所示。

图 3 led 照明控制系统

四 ZigBee无线技术的应用LED路灯中的传感器网络控制系统

基于 ZigBee 技术的 LED 路灯节能管理是一种有效的系统模式。该系统通过采用高科技对路灯的照明效果、时间、位置、亮度进行有效的调节和控制，可以在一定范围内实现有效的照明，减少能源浪费。

如图 4 所示,该系统由无线终端、现场控制器和监控中心软件组成。

图 4.系统客户端/服务器体系结构

系统原理图 (如图 5 所示)

图 5.系统计划图

1 无线终端

无线终端由 ZigBee 模块、天线、控制电路等组成。它是路灯监控系统的执行部分，也可以在检测部分工作，如信号采集。无线终端可以接收来自现场控制器的订单，并与他们交换数据。

2 现场控制器

现场控制器由 ARM 单片机、 ZigBee 模块、 GPRS 模块、天线、键盘和 LCD 显示等组成。它是基于 uc/os II 操作系统，可以稳定可靠地运行 [4]。

ZigBee 模块负责与道路上所有灯光的无线终端设备进行通信，例如将接

资料编号：[4938]