智能照明节能控制系统研究

龚志广

（河北建筑工程学院，张家口075000）

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.高校一般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.目前国内的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、路段和交通流量等因素，只能以区域为单位对照明设备进行简单的开关灯控制.要对灯具进行有效管理和维护，就要求对照明系统中所有灯具实行有效监控，能远程控制灯的开关和亮度，能远程发现故障［1］.

目前，照明节能的研究主要体现在两个方面：一方面是光源的革命，光源节能就是用光效高、寿命长的绿色节能光源逐步取代传统的低光效、低寿命的光源.另一个方面是对灯具的智能化控制，灯具的智能化网络化控制就是将计算机技术、自动控制技术及通信技术相结合应用于照明控制，使照明系统自动化，考虑环境照度、时间、照明区域的功能等因素，时控和光控相结合，通过有效的网络化监控管理以及节能控制，实现灯具遥测、遥控及照明系统的高效、节能.

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，实现灯具的遥测、遥控.此系统即适用于高校室内照明，又适用于道路照明，有广泛的应用前景.

1 照明光源对比研究

目前，室内照明和道路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.对上述光源进行对比研究，其特点如下［2］：金属卤化物灯：是一种高强度气体放电灯（HID），具有光效高、寿命长、显色性好、性能稳定等特点.高压钠灯：是一种高强度气体放电灯（HID），具有发光效率高、寿命长、透雾性强、价格较低等优点，但显色性差，启动时间长，再启动困难，是目前道路照明普遍应用的典型光源.无极荧光灯：具有无电极、超长使用寿命、高显色性、高光效、但其价格较高，使用费用较高.荧光灯：具有光效高、使用寿命长、显色性好、耗电少等优点，一般照明中可取代普通白炽灯以节约电能.LED灯：即发光二极管，利用固体半导体作为发光材料，属于固态光源，具有寿命长、高光效、高显色性、低电压、低功耗，可进行无级调光、易于控制等优点.

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 智能照明控制系统研究

2.1 照明节能控制系统结构

图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］.

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2.4GHz 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2.4GHz DSSS（直接序列扩频）RF收发器、增强的8051微控制器、8KB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2.4GHz 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、350mA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1kHz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

无论是室内照明还是道路照明，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，适用于高校室内照明和道路照明，也可推广应用于大厦、广场、桥梁、隧道等其它公共照明场合.

［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