一種基于自動(dòng)感知的公共場(chǎng)所節(jié)能照明控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與照明系統(tǒng)自動(dòng)控制領(lǐng)域,涉及一種基于自動(dòng)感知的公共場(chǎng)所節(jié)能照明控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前學(xué)校教室、寫(xiě)字樓、禮堂、圖書(shū)館、會(huì)議室、街道、走廊等公共場(chǎng)合的照明系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)即時(shí)環(huán)境的能力差,智能化水平低,從而造成能源的巨大浪費(fèi)。2013年,蘇山、葉亭等在其論文“校園公共場(chǎng)所照明節(jié)能技術(shù)研宄”中,提出了采用集中控制和管理、分散執(zhí)行的照明系統(tǒng)控制方法,將照明區(qū)域通過(guò)總線(xiàn)連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),配置中央監(jiān)控中心和智能控制照明柜,由控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)控者、主通信控制器等設(shè)備對(duì)整個(gè)建筑物的燈光進(jìn)行監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化水平較低,只是實(shí)現(xiàn)了集中管理,但仍需依賴(lài)管理者進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制;自動(dòng)適應(yīng)即時(shí)環(huán)境的能力差,而且以總線(xiàn)的方式組網(wǎng)復(fù)雜,不利于大規(guī)模使用。2011年,劉和劍等在論文“基于80C51系列單片機(jī)節(jié)能照明控制的設(shè)計(jì)”中,提出了基于單片機(jī)結(jié)合可見(jiàn)光檢測(cè)、聲音探測(cè)、壓力探測(cè)和人體紅外熱感應(yīng)探測(cè)的教學(xué)樓智能節(jié)能控制器。該系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)開(kāi)啟本地照明,對(duì)照明的效果是否滿(mǎn)足要求,是否通知相鄰節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)照明等未有涉及,系統(tǒng)獨(dú)立,無(wú)協(xié)同功能,智能程度低,不能達(dá)到對(duì)能量的精細(xì)管理。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題,本發(fā)明提出一種基于自動(dòng)感知的公共場(chǎng)所節(jié)能照明控制系統(tǒng)和方法,利用傳感技術(shù)、節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)技術(shù)、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以及智能算法,實(shí)現(xiàn)教室的環(huán)境亮度、是否有人、人員的空間分布情況,街道或走廊的環(huán)境亮度、是否有行人或車(chē)輛等運(yùn)動(dòng)物體及物體運(yùn)動(dòng)方向和速度等環(huán)境信息的采集,并利用智能抉擇算法實(shí)現(xiàn)對(duì)本地及臨近區(qū)域照明設(shè)備的啟??刂啤?br>[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取如下技術(shù)方案。
[0005]一種基于自動(dòng)感知的公共場(chǎng)所節(jié)能照明控制系統(tǒng),由若干個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成,系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布示意圖如圖1所示。其特征在于,每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括:信息采集模塊,中央處理模塊,本地照明控制模塊,節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊,電源狀態(tài)指示模塊,喚醒信號(hào)產(chǎn)生模塊。其中,
[0006]信息采集模塊:用來(lái)采集環(huán)境信息,并將獲得的環(huán)境信息送至中央處理模塊。信息采集模塊由多個(gè)傳感器和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊組成,用戶(hù)根據(jù)不同的應(yīng)用給節(jié)點(diǎn)配備不同的傳感器,包括:環(huán)境光線(xiàn)感知傳感器模塊,照明目標(biāo)檢測(cè)傳感器模塊,照明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知傳感器模塊。環(huán)境光線(xiàn)感知傳感器模塊用于感知當(dāng)前環(huán)境的亮度;照明目標(biāo)檢測(cè)傳感器模塊用于感知當(dāng)前環(huán)境中是否有照明目標(biāo)(人、運(yùn)動(dòng)車(chē)輛等);照明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知傳感器模塊用于檢測(cè)照明目標(biāo)是否運(yùn)動(dòng),如果有運(yùn)動(dòng),利用節(jié)點(diǎn)間通信模塊發(fā)出信號(hào)告知相鄰節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)照明;節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊用于檢測(cè)和診斷節(jié)點(diǎn)是否工作正常,在傳感器輸出喚醒失敗的情況下,接收遠(yuǎn)距離(管理者短信)喚醒信號(hào)。各分布式節(jié)點(diǎn)按照照明區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)和公共場(chǎng)所參與人員的習(xí)慣進(jìn)行分布,可以是線(xiàn)形、星形、方框形等,各節(jié)點(diǎn)的距離依據(jù)各傳感器的感知距離和節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊的有效距離來(lái)確定。
[0007]中央處理模塊:用于讀取各傳感器感知結(jié)果,根據(jù)感知結(jié)果確定是否啟動(dòng)本地照明和通知相鄰節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)照明,并發(fā)送相應(yīng)控制信號(hào)給照明控制模塊和通信數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊。
[0008]本地照明控制模塊:接收中央處理模塊發(fā)出的控制信號(hào),控制本地照明單元的開(kāi)關(guān)。
[0009]節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊:用于在中央處理模塊控制下,完成與相鄰節(jié)點(diǎn)的通信。
[0010]電源狀態(tài)指示模塊:用于在中央處理模塊控制下顯示節(jié)點(diǎn)的電源能量狀態(tài):能量充足和能量低。電源狀態(tài)由中央處理器通過(guò)讀取電源兩端的電壓或電源回路電流進(jìn)行判斷獲得。
[0011]遠(yuǎn)距離喚醒信號(hào)產(chǎn)生模塊:通過(guò)檢測(cè)環(huán)境光線(xiàn)感知傳感器模塊輸出的大小或是否有遠(yuǎn)距離喚醒請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)中央處理模塊由一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,即工作模式和低功耗模式之間的轉(zhuǎn)換,達(dá)到節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)進(jìn)入休眠模式、事件時(shí)被喚醒,從而節(jié)省系統(tǒng)能耗。
[0012]利用所述系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能照明控制的方法包括以下步驟:
[0013]步驟1,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境亮度和遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒信號(hào)。
[0014]步驟2,組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0015]步驟3,檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電源狀態(tài),進(jìn)行能量提醒。
[0016]步驟4,本地照明控制。
[0017]步驟5,鄰近節(jié)點(diǎn)照明控制。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]1.與現(xiàn)有的節(jié)能照明控制系統(tǒng)相比,本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息和照明目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)功能。在環(huán)境亮度高于預(yù)設(shè)值得情況下,系統(tǒng)工作在睡眠模式,只有環(huán)境亮度不符合規(guī)定時(shí)才轉(zhuǎn)入工作模式,節(jié)省了系統(tǒng)能耗。能夠根據(jù)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)控制照明單元的開(kāi)關(guān),無(wú)需人工參與管理,智能程度高,實(shí)時(shí)性好。
[0020]2.與現(xiàn)有的節(jié)能照明控制系統(tǒng)相比,本發(fā)明具有相鄰節(jié)點(diǎn)協(xié)同合作功能,在檢測(cè)到照明目標(biāo)后,系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)本地亮度是否符合要求和目標(biāo)是否有運(yùn)動(dòng),并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是否通知相鄰節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)照明。
[0021]3.與現(xiàn)有節(jié)能照明采用有線(xiàn)組網(wǎng)方式相比,本發(fā)明采用無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)用范圍廣。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布示意圖;
[0023]圖2為本發(fā)明所述系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的組成框圖;
[0024]圖3為本發(fā)明所述方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面根據(jù)附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]本發(fā)明所述系統(tǒng)由若干個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示,包括:信息采集模塊1,中央處理模塊2,本地照明控制模塊3,節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4,電源狀態(tài)指示模塊5,喚醒信號(hào)產(chǎn)生模塊6。其中,
[0027]信息采集模塊1:用來(lái)采集環(huán)境信息,并將獲得的環(huán)境信息送至中央處理模塊2。信息采集模塊I由節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊14和多個(gè)傳感器組成,傳感器包括:環(huán)境光線(xiàn)感知傳感器模塊11,照明目標(biāo)檢測(cè)傳感器模塊12,照明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知傳感器模塊13。各傳感器按照照明區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)和公共場(chǎng)所參與人員的習(xí)慣進(jìn)行分布,可以是線(xiàn)形、星形、方框形等,各節(jié)點(diǎn)的距離依據(jù)各傳感器感知距離和節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4的有效距離來(lái)確定。所述傳感器既可采用輸出模擬信號(hào)的傳感器,也可以采用輸出數(shù)字信號(hào)的傳感器。其中,
[0028]環(huán)境光線(xiàn)感知傳感器模塊11:與中央處理模塊2相連,用于感知所在環(huán)境的亮度信息。采用由光敏器件組成的光照強(qiáng)度傳感器,可以是光敏電阻或光電管,如PSR系列、on9658-c系列等。
[0029]照明目標(biāo)檢測(cè)傳感器模塊12:用于檢測(cè)照明目標(biāo)的存在。當(dāng)照明目標(biāo)為人時(shí),采用紅外熱釋傳感器,如 P228\LH1958\RE200B\KDS209\PIS209\LHI878\PD632 等,或紅外運(yùn)動(dòng)傳感器,如AMB2402 ;當(dāng)照明目標(biāo)為車(chē)輛時(shí),采用紅外對(duì)射管、振動(dòng)傳感器、聲音傳感器等中的一種或多種。
[0030]照明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知傳感器模塊13:用于檢測(cè)照明目標(biāo)是否運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)照明目標(biāo)為車(chē)輛時(shí),采用磁力傳感器,如M-GAGE系列之S18M等,或雷達(dá)、超聲檢測(cè)等。當(dāng)照明目標(biāo)為人時(shí),照明目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知傳感器模塊13可由照明目標(biāo)檢測(cè)傳感器模塊12代替,其輸出信號(hào)增強(qiáng)說(shuō)明人體朝著傳感器方向移動(dòng);輸出信號(hào)減弱則說(shuō)明人體背離傳感器方向移動(dòng)。
[0031]節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊14:由具有GPRS或GSM通信功能的節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊如TC35組成。用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)本照明控制節(jié)點(diǎn)是否正常工作,以及在本節(jié)點(diǎn)未能正常喚醒的情況下,接收遠(yuǎn)距離管理者通過(guò)手機(jī)等通訊設(shè)備發(fā)送的喚醒信號(hào),并產(chǎn)生喚醒輸出到喚醒信號(hào)產(chǎn)生模塊6。當(dāng)需要檢查本節(jié)點(diǎn)是否正常工作時(shí),通過(guò)遠(yuǎn)距離發(fā)送短信息到本節(jié)點(diǎn),本節(jié)點(diǎn)收到短信息后,依據(jù)自定義通信協(xié)議,由中央處理模塊2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)短信方式發(fā)送到指定號(hào)碼。
[0032]中央處理模塊2:用于讀取和處理信息采集模塊I檢測(cè)到的信息,并通過(guò)運(yùn)行預(yù)先加載在中央處理模塊的程序和算法,向本地照明控制模塊3發(fā)出控制信號(hào),向節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4發(fā)送控制信號(hào)和傳輸內(nèi)容。中央處理模塊2應(yīng)具有睡眠和工作兩種模式,如STM32W108或EM35等。如果其處于睡眠模式,當(dāng)某GP1 口的輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí),會(huì)自動(dòng)喚醒中央處理模塊2進(jìn)入工作狀態(tài)。中央處理模塊2通過(guò)通信接口(串口或SPI接口)與通信模塊4相連,中央處理模塊2通過(guò)GP1與其它模塊相連;也可采用帶射頻功能的單片機(jī),如STM32W或CC2530或EM35等,這時(shí)可省去通信模塊4。
[0033]本地照明控制模塊3,在中央處理模塊2發(fā)出的控制信號(hào)作用下,控制照明單元的開(kāi)關(guān)。包括控制繼電器電路,驅(qū)動(dòng)電路等。
[0034]節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4:當(dāng)中央處理模塊2具有射頻功能并支持所需通信模式的情況下,系統(tǒng)無(wú)需專(zhuān)門(mén)的節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4,當(dāng)中央處理模塊2不具無(wú)線(xiàn)通信功能或不支持所需短距離通信模式時(shí),節(jié)點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信模塊4通過(guò)通信接口與中央處理模塊2相連,向鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)送組建傳感器網(wǎng)絡(luò)和啟動(dòng)照明等命令。無(wú)線(xiàn)通信采用短距離通信方式,可采用 ZigBee、Wif1、Blueteeth 等。
[0035]電源狀態(tài)指示模塊5:與中央處理模塊2相連,用于顯示電源狀態(tài)并進(jìn)行低能量提醒。節(jié)點(diǎn)電源狀態(tài)由中央處理模塊2通過(guò)讀取電源兩端的電壓或電源回路電流進(jìn)行判斷。包括現(xiàn)場(chǎng)的聲音提示、光提示和遠(yuǎn)距離通信模式提示中的一種或多種,由LED燈、蜂鳴器或遠(yuǎn)距離通信模塊等方式結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)。
[0036]喚醒信號(hào)產(chǎn)生模塊6:由一比較器電路組成,用于根據(jù)環(huán)境光線(xiàn)感知模塊11和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊14的輸出產(chǎn)生喚醒信號(hào)。如果環(huán)境光線(xiàn)感知模塊11的輸出為數(shù)字信號(hào),其輸出直接與節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模塊14的輸出求或作為喚醒信號(hào);如果環(huán)境光線(xiàn)感知模塊11的輸出為模擬信號(hào),將所述模擬信號(hào)輸入到所述比較器與閾值進(jìn)行比較,比較器輸出與節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與喚醒模