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智能LED照明系统的节能控制器设计
摘要
在本文中，我们提出了一种节能控制器，能够根据从传感器接收的数据自动整形LED照明系统的光输出。我们在控制器上采用优化的智能算法来处理传感器反馈，并采用脉宽调制调光来改变照明设备的亮度。无线传感器模块被设计为向控制器提供精确的传感器反馈。配有LED驱动器的专用智能灯具被设计和构造来研究控制系统的性能。我们验证了设计控制器在不同现实情况下的节能潜力。实验表明，在我们的测试条件下，控制器在连续使用模式环境中实现了55%的能量节省，在离散使用模式环境中实现了62%的节能。成本分析表明，提出的节能系统几乎相当于比商业系统的成本效益提高了32%，同时通过使用额外的节能技术，可以节省更多的能源。
1.引言
光线占世界总能源使用量的20%[1]。有趣的是，商业和办公楼占能源使用总量的百分之七十一，其中18%用于照明[2]。办公楼的典型年能耗总量在100到1000千瓦时/平方米之间，取决于地理位置、办公设备使用、运行时间、使用暖通空调系统和安装技术等因素[3]。最近，2010年能源建筑指令性能（EPBD）强调了未来欧洲建筑物近乎零能源使用水平的可持续[4]。幸运的是，研究表明，现代建筑节能潜力很大[5]。电力照明是减少能耗的关键目标区域，节能照明系统承诺高能量节约，并且进行相对直接的改造。
智能照明系统通过利用集成传感器在闭环控制系统中提供反馈来寻求实现。一种常见的节能技术是占用传感，从集成式占用传感器获得反馈[6,7]。基于乘员感知的节能系统通常根据乘员使用模式来显示节能17%-60%[8]。然而，大多数占用传感系统在连续使用模式的环境中报告的节能约为3%-50%[9,10]。这些系统通常基于单点检测，这可能潜在地导致传感器数据的显着不确定性，特别是如果照明系统没有被优化或优化[11]。常常引入预设时间来补偿这种不确定性。一些智能照明系统还依赖于手动用户反馈，通过遥控来控制灯具作为补充感知[12,13]。
除此之外，还可以采用诸如日光采集和自动调光控制的技术来增加节能[14-16]。日光采集利用建筑孔的自然光来补充灯具的人造照明，以减少亮度以实现一定程度的照明。日光灯控制系统可以非常有效，因为大多数商业和办公空间有足够的日光从窗户消除电照明的需要[17]。还可以采用附加技术，例如照明平衡[18]，增强现场感知[19]和适应性照明渲染[20]，以提高系统性能。据报道，来自日光灯系统的节能通常在40%以上; 然而，效率高度依赖于多种因素，包括：高度和方向、窗口特征、遮蔽装置、表面反射率、天花板高度和分隔高度[21,22]。因此，报告的日光采集系统的实际表现通常比模拟性能要低得多[23]。
通过在单个控制系统中组合多种节能技术可以实现提高节能性能[24]。日光相关控制的整合可以缓解连续使用模式环境中基于占用感知的系统本质上较差的节能性能。Roisin等人报告了模拟结果在49%-63%的组合占用感测和采集系统[25]，而Hughes等人使用类似的系统节省了68%的节能[26]。然而，在不同的使用模式下验证节能系统在现实环境中的性能也是必要的，因为模拟结果并不总是提供真实世界情境的准确表示。此外，应通过控制器优化或校准确保最佳系统性能。
控制器优化是确保有利于系统性能的重要一步。优化方法的一个例子是模型预测控制，通常用于工业过程控制系统，最近在电力系统平衡模型中使用[27]。该控制方法优化有限时间范围，同时只实现当前时隙。最近在这方面的工作包括提高开环稳定系统的模型预测控制器的稳定性[28]，并在基于FPGA的系统上实现模型预控制器，以提高在线计算性能[29]。另一个流行的优化方法是爬山优化技术，它是一种辅助算法，尝试通过在每次迭代期间逐个改变单个元素来找到最优解。山地优化的优势包括其相对简单性和在搜索空间中找到局部最优解的优秀能力。近来的研究表明随机爬坡优化在应用于照明控制时有效[30]。
本文结合多种自主节能技术实现更大的节能。智能照明系统被开发为实现和优化节能控制器的平台。控制器的性能在不同的使用模式下实验验证，这将是系统的真实性能的准确指示，与基于模拟的方法相比，提供了不同的方法。除此之外，我们还对节能控制器进行成本分析，进一步衡量节能系统的影响。本文的其余部分结构如下：第2节描述了实施控制算法中使用的节能技术，并讨论了控制器优化;第3节介绍系统设计;我们通过第4节中不同使用模式的实验验证了控制器的节能性能;第5节描述了系统的成本分析，最后在第6节讨论了结论。
2.节能技术
很明显，通过对照亮的灯进行更大程度的控制可以节省大量的能量。 因此，我们选择合适的传感器来向16 MHz 8位基于AVR RISC的微控制器提供有关信息的反馈。 我们使用被动红外（PIR）传感器，其测量从对象辐射的红外光，以在其视野范围内提供对占用状态的反馈。 当人类通过传感器的视野时，传感器将将红外辐射中的结果变化转换为传感器电压的变化。
这触发了检测。当在110摄氏度的视野中，距离最远达到7米的距离时，该传感器返回逻辑高信号。PIR传感器用于占用感应，其中我们对照明设备进行编程，以便在视野内没有用户时自动关闭。我们允许用户定义合适的超时时间，超时是来自PIR传感器的逻辑高信号和灯具输出下降到零之间的时间差。小的超时值将确保显着的能量节省，但是如果在一段时间内停止运动，则房间中的用户将会关闭灯具。更大的超时值可以解决这个问题，但会降低能源消耗。
图1 TEMT6000环境光传感器在可见光区域的相对光谱响应[31]光谱响应匹配人眼反应
我们还使用了一种光传感器，它是对可见光谱敏感的硅NPN外延平面光电晶体管。传感器上的常规照度与收集器光电流成正比。我们选择了一种TEMT6000环境光传感器[31]，它可以测量入射照度高达1000 lx，峰值灵敏度在580 nm左右，光谱灵敏度曲线适合于匹配人眼响应（如图1所示）。传感器输出模拟光电流被转换为可变电压（0-5 V），由微控制器通过连接10 K串联电阻读取。考虑一个有窗户的房间。白天，用户可以选择离开窗户打开，允许阳光照射房间。在这种情况下，人造照明可能是多余的，因为室内存在足够的光照明工作空间。我们可以收集环境光，以补充现有的照明，这是一种称为日光采集的技术。这将导致节能增加，因为灯具不需要以最大的亮度持续地切换。
2.1控制算法
我们实施一个控制系统，根据传感器的反馈自动调整光亮度状态。块式节气门节能控制系统如图2所示。控制系统的用户定义输入是目标亮度（SP），增益（K），滞后（H），超时（）和采样周期（T）。用户可定义的控制系统输入是用户输出[M（t）]和测量亮度[PV（t）]。 这些非用户可定义的输入通过传感器的反馈获得。假设最大环境光强度在环境光传感器的感光范围内。此外，假定衰减周期足够大以说明控制器的时钟速度。表1总结了节能控制系统的输入。
图2 节能控制系统框图
目标亮度SP作为非易失性只读存储器存储在微控制器的EEPROM部分中。 基于输入，控制器调整发送到LED驱动器的脉宽调制（PWM）信号p（t）。由于当使用脉冲宽度调制使LED变暗时，由于较低的色度偏移，恒定电流减小调光方案选择PWM调光方案[32]。通过改变该PWM信号的占空比d（t），控制器可以调节LED串电流，结果导致LED亮度。控制器测量占空比为无符号8位整数（0-255）。选择了1000 Hz的PWM频率，以减轻不必要的生物效应，如高达165 Hz的低频下由于不可见的闪烁而可能引起的头痛，恶心和癫痫发作[33]。 控制系统的目标是将可能的误差范围内的误差e（t）最小化。
误差信号通过以下方式计算：
e(t) = SP minus; PV(t) （1）
控制器尝试通过调整发送到LED驱动器的PWM信号的占空比d（t）来最小化误差。
控制器通过以下方程式来调节d（t）：
（2）
循环方程式（2）可以看出，用户存在M（t）对控制系统的状态影响最大，其次是误差信号e（t）。值得注意的是，占空比的上升时间取决于增益（K），误差容限取决于控制系统的滞后（H）变量。变化率取决于用户可定义的采样周期（T）。在图3的时序图中示出了系统对控制算法的响应。系统以16MHz的控制器时钟速度响应时钟信号的上升沿和下降沿。实际上，每个信号的边缘都会有小的上升时间和下降时间。 光传感器数据反馈率和无线传输频率取决于控制系统的采样周期。
2.2控制器优化
我们可以通过调整某些输入参数来优化控制器：增益（K），滞后（H）和采样周期（T）。这些参数的变化将对控制系统的响应产生影响。在本节中，我们通过实验研究控制系统响应，为控制器的优化提供指导。 我们首先定义一个基本情况，其中K = 1，H = SP / 20，T = 200 ms，SP = 1200 lx，距离灯具0.5 m，然后单独更改K，H和T，以通过测量照明器观察控制器响应 输出功率直到达到稳定。
首先，我们改变采样周期T.结果如图所示。图4（a）。我们观察到随着T增加，控制器的响应时间减少，其中采样周期的200ms增加导致控制器响应时间减少30秒。在T = 800 ms的情况下，控制器需要将近两分钟的时间才能到达 它的稳定状态。然而，采样率受到无线模块的带宽的限制，无线模块传输采样数据和相关的数据包报头。我们发现最小采样周期为T = 200 ms，以确保可靠的无线数据传输。较低的采样周期也导致照明级别的更突然的变化，这对于用户来说可能不舒服。此外，减少采样周期会增加控制器上的处理负载。
图3 控制系统的时序图为0s上升时间和PIR时间为tau;= 0
图4 控制器响应超过120秒时的不同参数
图5 开发的智能灯具
接下来，我们观察到改变增益的影响，K是随后的占空比调整之间的步长。结果如图4（b）所示。我们观察到，当K增加时，控制器的响应时间增加，这意味着系统向其稳态更快地转换。 在K = 1的情况下，控制器达到稳定状态需要30秒。这表明系统的响应时间是增益和采样周期的函数。 然而，大的增益将导致过拍，特别是当K = 10时可以看到误差小的情况。当有过冲时，将会发生目标电压周围的正弦振荡，因为系统会通过降低负载来自行修正周期。 如果光线以人类可见的频率闪烁，这对于一般照明是不可接受的。
最后，我们改变滞后，H是控制器开始调整其输出之前可接受的误差范围，并且被定义为设定点SP的函数。滞后有助于在嘈杂的环境中控制控制器。如果滞后值不够显着，则会导致不断变化的输出，这将导致较低频率的显着闪烁，如图4（c）所示。基于这些结果，我们注意到，大的滞后可能导致控制器稳态水平的不准确。当H = SP / 5时，与目标设定点有显着的偏差。当H = SP / 2时，偏差更大。我们还认为，滞后对系统的响应时间没有影响，如同样的梯度dP / dt所证明的不同的H值。
基于实验结果，控制器的推荐输入参数为K = 2，H = SP / 20，T = 200 m。选择这些参数给出最佳上升时间，稳定稳态性能和准确的稳态输出水平。
3.智能灯具设计
设计和构造了一个智能LED灯具来实现所提出的控制器。智能灯具由LED驱动器，LED串，ZigBee模块，微控制器和传感器组成。无线传感器模块还被设计为通过IEEE 802.15.4 Zig-Bee标准将户外光传感器与智能照明设备接口。我们将环境光传感器放置在工作平面上，而不是与照明设备相连，以便环境光传感器在工作平面高度准确地收集环境光数据。5（a）描述了所有系统组件之间的关系; 构建的智能照明系统和无线感光元件如图5（b）所示。
3.1LED驱动器
具有高电效率的LED驱动器对于节省更高的能量是重要的。我们设计了一个DC-DC LED驱动器，为每个通道提供最大串电流为700 mA的八个LED串。我们使用德州仪器LM3406恒流降压转换器作为我们司机的电源控制器。该LM3406包含一个具有适合电流限制的高边N沟道MOSFET开关。它还具有一个可以通过ATMega328微控制器驱动的调光引脚，以实现使用PWM的逐步调光。通过实验，我们验证了由我们设计的LED驱动器驱动的LED串的亮度与串联电流和PWM信号的占空比直接成比例，如图6所示。
图6 灯具亮度为1.6 m，PWM占空比为LED串电流
图7 设计的LED驱动器的输入和输出功耗
我们使用Tektronix PA1000功率分析仪来测量照明设备的功耗。 在82.08 W时测量最大占空比的电力输入。所有通道最大占空比的电功率输出测量值为75.86 W，最大电机效率为92.41％。图7展示出了整个调光范围内的输入功率和输出功率的变化。从图中可以看出，在整个占空比范围内效率保持不变。事实上，平均电效率为91.96％，接近最大测量效率。
4.实验功耗分析
节省的电量可以用以下等式计算：
（3）
其中Pc（t）和P0（t）分别表示具有和不具有实施的控制系统的设计光源的输出功率。图8示出了具有和不具有实施控制系统的照明系统的功率消耗的可视化。从图中可以看出，消耗的能量与图中的面积相当。图8还显示了控制系统对用户定义的各种输入的响应。我们调查了不同环境下灯具的功耗。Pc（t）和P0（t）被记录到计算Psaved（t）。在第一个实验中，灯具被放置在一整天不间断使用的实验室中。在第二次实验中，灯具在教室中进行了测试，根据时间表分离了使用模式。在下一节中介绍结果。
图8 有无控制系统可视化的灯具的功耗
图9 在实验室进行测试，灯具开机8小时，记录功耗数据
4.1连续使用模式环境
首先，我们在连续使用模式的实验室中对灯具进行了测试。灯具被放置在靠近两个窗口的地方，允
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