智能照明节能控制系统研究

龚 志 广

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

智能照明节能控制系统研究

龚 志 广

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

对道路照明和室内照明常用光源进行了研究，将Zigbee技术和GPRS移动通信技术应用于照明控制，设计了一种基于Zigbee的智能照明节能控制系统，通过网络化智能化控制，实现灯具的遥测、遥控，提高灯具的自动化管理水平.系统适用于道路照明和高校室内照明，也可推广应用于大厦、广场、桥梁、隧道等其它公共照明场合.

智能照明；Zigbee技术；网络化智能化控制；节能控制；LED照明

照明是电力消耗的大户，照明用电量约占发电总量12%左右，并以每年5%的速度增长.对一些照明时间较长、照明场所较多的机构，如道路、高等学校，据测算，其照明耗电占本单位所有耗电的30-40%左右，照明节电的潜力很大.当前国内道路照明系统大部分没有采用网络化监控管理，没有考虑环境照度、时间、交通流量和路段等因素，只能对照明灯具进行开关灯控制.要对灯具进行有效管理和维护，能远程控制灯的开关和亮度，远程发现故障，就需要对照明系统中所有灯具进行有效监控[1].高校采用开放式的管理模式，学生无固定教室，无固定的座位.白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开，人走不熄灯的现象到处存在，这种不合理用电浪费了大量电能.

照明节能主要体现在两个方面:一是灯具的智能化网络化控制,二是光源的革命.灯具的智能化网络化控制就是照明系统自动化，时控和光控相结合，考虑环境照度、时间、照明区域的功能等因素，通过网络化智能化控制，实现灯具测量和监控及照明系统的高效、节能.光源节能就是用光效高、寿命长的新一代光源逐步取代低光效、低寿命的传统光源.基于此，本文对道路照明和室内照明常用光源进行研究，将Zigbee技术无线传感器网络技术和GPRS移动通信技术相结合，研究设计一种基于Zigbee-WSN+GPRS/RS-232无线传感器网络的照明节能控制系统.通过网络化智能化控制，可对灯具进行遥测、遥控.

1 照明光源特性研究

目前，道路照明和室内照明中常用的光源主要有金属卤化灯、高压钠灯、荧光灯、无极荧光灯、LED灯等.对上述光源特性进行对比研究，其特点如下[2]：

表1 各光源特性对比

对室内照明和道路照明常用光源的光学特性进行对比研究，选择适用于室内照明和道路照明的绿色节能光源.在同样功率下，高压钠灯光通是金属卤化物灯的140%左右，在同样照度下，高压钠灯电耗远低于金属卤化物灯.高压钠灯由于具有寿命长、光效高、透雾能力强、价格相对低廉等特点，已在道路照明系统中得到广泛使用.荧光灯由于光效和寿命均强于普通白炽灯，显色性好，在室内照明和道路照明中均有一定的应用.无极荧光灯由于光效高、使用寿命长，在道路照明中有很好的应用前景，但由于价格高，制约了其使用范围.无论是道路照明还是高校室内照明，新型光源白光LED具有较好的发展与应用前景.LED灯具是新一代照明光源，跟传统的高压钠灯、荧光灯等相比，LED灯发光效率更高，在同样照度的情况下，LED灯的能耗只有高压钠灯的25-30%，荧光灯的30-50%.与传统的荧光灯、高压钠灯等不同，LED灯亮度易于控制，改变流过LED的电流，其亮度就可以在0-100%之间进行调节，只要根据环境照度的需要改变LED灯的亮度，LED灯就有巨大的节能潜力.

2 智能照明控制系统

2.1 照明节能控制系统结构

基于Zigbee的无线智能照明节能控制系统结构如图1所示，由Zigbee无线传感网、网关节点、GPRS/RS-232移动通信网络、监控中心四部分组成.采用两级双网组网模型，该模型由Zigbee-WSN和GPRS/RS-232两级网络构成，上层为GPRS/主干网，由网关节点和GPRS移动通信网构成，实现数据远程传输；下层为Zigbee-WSN二级子网，由路由节点和灯节点构成，采用簇树型网络拓扑，完成数据路由、转发[3].网关节点连接ZigBee无线传感网络与GPRS网络，实现ZigBee协议和TCP/IP协议两种协议栈之间通信协议转换.网关节点发布监控中心的监控命令，并把收集到的灯状态信息转发到外部网络上，通过GPRS网络将数据传至监控中心，实现灯具的开关灯控制、调光控制和故障监测，即灯具的遥测、遥控[4].

图1 照明节能控制系统结构

2.2 系统各部分设计

2.2.1 灯节点设计

灯节点硬件框图如图2所示，由亮度传感器模块、红外传感器模块、处理器模块、无线通信模块、LED恒流驱动模块及电源模块组成.

图2 灯节点硬件结构框图

处理器采用TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片是德州仪器(TI)推出的用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系统解决方案，内部集成了支持Zigbee通信的硬件资源，包括2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)RF收发器、增强的8051微控制器、8 KB的RAM和32/64/128/256KB的Flash存储器，8通道12位ADC，可直接对电流、电压、温度等模拟信号进行模数转换，无需外扩A/D转换器，具有PWM信号输出功能，可用于数字调光.

红外传感模块选用热释电红外开关BISS0001芯片，BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关.环境光检测器采用美信(MAXIM)公司生产的MAX44009芯片.MAX44009环境光传感器芯片提供I2C数字输出，是业内功耗最低的环境光传感器，具有22位超宽动态范围(0.045流明至188,000流明)，能够检测极其微弱的光线.

2.2.2 路由节点设计

路由节点对来自网关节点和路灯节点的数据起中继作用，路由节点具备Zigbee通信功能，支持Zigbee协议，要有对数据进行融合、存储、转发的能力，必须具备路由功能，应是一个Zigbee全功能设备.路由节点采用CC2530芯片实现，CC2530符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准ZigBee技术规范，固化了ZigBee协议栈，内部集成了ZigBee射频收发器、大量的Flash存储器，无需外扩其他芯片，只需加上简单的外围电路就可实现ZigBee通信.路由节点的软件主要实现Zigbee协议，完成数据收发、融合、存储和路由选择等功能.

2.2.3 网关节点设计

网关除了完成ZigBee网络的组建、节点的加入和退出等网络维护工作，还需具备ZigBee网络和GPRS网络上、下行数据传输，数据处理和ZigBee协议与TCP/IP协议转换等功能.无线网关主要由S3C2410微处理器、ZigBee无线通信模块、GPRS通信模块、Flash存储模块、SDRAM存储模块、USB接口模块、RS-232接口、LCD显示模块和键盘控制模块等组成.网关采用裁剪后的嵌入式Linux作为操作系统，并移植了MiniGUI提供友好的人机交互界面.

2.2.4 LED灯具高效恒流驱动电路设计

本系统选用28颗1W、350 mA白光LED作为光源，采用7×4串并联恒流驱动方式.恒流驱动芯片采用PWM控制型高效大功率市电直驱LED驱动器HV9910，该芯片效率高达90%以上，可由市电(85～265VAC)供电，HV9910提供了一个低频的PWM调光功能，PWM_D端外接数百Hz到1 kHz的PWM信号，可以通过占空比调节MOS开关管的导通时间，获得从0%—100%的PWM数字调光[5].恒流驱动电路如图3所示.

图3 LED恒流驱动电路

3 结 论

无论是道路照明还是室内照明，白光LED灯具是具有发展前景的光源.基于Zigbee的智能照明节能控制系统通过网络化智能化控制，可实现灯具的遥测、遥控，系统建设和运营成本低、组网灵活，可以提高生产效率，提高灯具的自动化管理水平，适用于道路照明和高校室内照明，也可推广应用于大厦、广场、桥梁、隧道等其它公共照明场合，有广泛的应用前景.

[1]梁云，贺新军，孙美凤.新一代无线通信技术在城市照明智能监控网中的介绍[J].照明工程学报，2009，20(2)：63～69

[2]俞丽华.电气照明(第二版)[M].上海：同济大学出版社，2001.9

[3]浦敏，李云飞，王宜怀.基于物联网的无线照明控制系统[J].照明工程学报，2010，21(2)：86～89

[4]关耀宗，胥布工.基于ZigBee网络的道路照明监控及节能系统[J].自动化与信息工程，2007，4：38～40[5]邱阳，季翼鹏，曹丰文.基于DALI总线的HV9910高亮度LED驱动电路的设计[J].科技信息(学术版)，2006，11：61～62

Research on Intelligent Lighting Energy Saving Control System

GONGZhi-guang

(Hebei Institute of Architecture Civil Engineering,Zhangjiakou,China 075000)

This paper has researched on the road lighting and interior lighting light source,the Zigbee technology and the GPRS mobile communication technology is used in lighting control,a kind of intelligent lighting energy saving control system based on Zigbee is designed,By the networked and intelligent control,the remote measurement and remote control of the lamps are realized,and automation management level of lamps and lanterns is improved.The system is applicable to road lighting and the university interior lighting,but also can be applied to building,square,bridge,tunnel and other public lighting.

intelligent lighting;Zigbee technology;networked and intelligent control;energy saving control;LED lighting

2014-10-21

住房和城乡建设部科技计划项目(2012-K1-43)；河北建筑工程学院科研基金项目(Y-201321)

龚志广(1979-)，男，讲师，硕士，主要从事嵌入式系统、无线传感器网络、智能照明方面的研究.

TP 393

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