基于无线通信网络的智能路灯节能系统

—190—基于无线通信网络的智能路灯节能系统黎洪生1，刘苏敏1，胡冰1,2，张卓敏3(1.武汉理工大学机电学院，武汉430070；2.空军雷达学院陆基预警监视装备系，武汉430019；3.武汉理工大学自动化学院，武汉430070)摘要：针对照明耗能设备的特点，提出一种将无线通信网络与路灯的控制相结合的节能方法。利用无线传输的方式发送和接收控制信息，采用可变电抗器节能控制技术设计和研制路灯节能装置，探讨运用模糊控制算法优化路灯用电运行的节能问题，并建立相应的模糊控制系统。结果证明该系统对于节省路灯照明能耗十分有效。关键词：无线通信网络；模糊控制算法；可变电抗；路灯IntelligenceStreetLightSystemofSavingEnergyBasedonWCNLIHong-sheng1,LIUSu-min1,HUBin1,2,ZHANGZhuo-min3(1.CollegeofElectromechanical,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070;2.DepartmentofLand-basedEarlyWarningDetectionEquipment,AirForceRaderAcademy,Wuhan430019;3.CollegeofAutomatic,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070)【Abstract】Aimingatthecharacteristicofthelightingenergyequipment,thispaperputsforwardakindofenergy-conservingmethodtocombineWirelessCommunicationNetwork(WCN)withcontrolofthestreetlight.Itmakesuseofwirelesswaytotransmittosendandaccepttheinformationofcontrolling,adoptsvariablereactorenergy-conservationtocontroltechnicaldesignanddevelopstreetlightenergy-conservationtofit,probesintoandusescontrollingalgorithmsfuzzily,optimizestheenergy-conservingquestionthatthestreetlightoperateswiththeelectricity,andsetsupcorrespondingfuzzycontrolsystem.Resultprovesthesystemissystematicandveryeffectiveinenergyconsumptionforsavingthestreetlightillumination.【Keywords】WirelessCommunicationNetwork(WCN);fuzzycontrolarithmetic;impedancetransformation;streetlight计算机工程ComputerEngineering第35卷第14期Vol.35No.142009年7月July2009·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2009)14—0190—02文献标识码：A中图分类号：TP3931概述目前，我国大中城市的地域规模不断扩展，城市照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市总用量的比例不断增加。以往路灯照明大多采用直接供电方式，人工送电人工关闭[1]。这种方式存在着许多不足：在用电高峰期供电电压低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也会大幅增加，特别是子夜过后，交通道上车辆与行人较为稀少，这时若全路全压供电则电能浪费很大，因此，在不影响人车行进的情况下，可将路灯的照明亮度适当降低。同时，随着无线技术的快速发展，利用无线网络进行路灯控制更为灵活方便，而且无须考虑控制布线的问题，维护也很简单，通过和各种新型传感器、功率控制器相结合，可以实现路灯智能控制，达到大量节约电能的目的。2智能路灯节能系统的构建智能路灯节能系统由路灯、可变电抗变换器、功率变换单元、无线通信系统和智能控制器等组成，其系统结构框图如图1所示。可变电抗变换器功率变换单元从智能控制器无线收发器主智能控制器无线收发器220V~380VK…图1路灯节能系统结构框图系统通过主智能控制器来判断路灯开启的条件，由无线模块将信息送至从智能控制器，通过从智能控制器控制功率变换单元，使可变电抗变换器一次线圈实现阻抗变换，从而达到串联路灯负载调功节能的目的。2.1可变电抗器阻抗变换原理可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换单元组成[2]，其工作原理是将可变电抗变换器的一次线圈与路灯负载串接，构成1次阻抗串联电路，其二次线圈与功率变换单元构成2次阻抗变换电路，通过改变二次阻抗来改变1次阻抗与负载阻抗的比例关系，实现路灯软起动和调压节能。2.2功率变换单元拓扑结构功率变换单元由电力电子功率器件、触发控制器、信号检测与处理器等组成。通过对晶闸管控制角的调整来控制可变电抗变换器二次线圈电流的大小，使路灯的端电压发生变化来改变路灯的照明亮度。功率变换单元拓扑结构见图2。V1V2V3V4V5V6V1V4(a)单相功率变换单元(b)三相功率变换单元图2功率变换单元拓扑结构基金项目：国家自然科学基金资助项目(60475031)作者简介：黎洪生(1961－)，男，教授、博士生导师，主研方向：网络远程控制与故障诊断，无线传感器网络；刘苏敏，博士研究生；胡冰，讲师、博士研究生；张卓敏，硕士研究生收稿日期：2008-11-21E-mail：[e-mail]—191—图2(a)可作为单相可变电抗器阻抗变换调节，图2(b)可作为三相可变电抗器阻抗变换调节。2.3智能控制器设计智能控制器由微处理器、检测传感器、变送器等组成。通过对光信号的采集与处理来判断现场的自然光照，从而控制路灯开启与关断。当主控装置开启后，利用声学传感器来判断现场噪声的大小，从而预测交通道上车辆与行人的流量大小，通过模糊控制算法改变路灯的亮度。系统将控制器分为主从2个部分，在主控制器对现场信息进行采集时，从控制器只须完成可变电抗器单元的控制，而无须对现场的信息进行时实分析，当主控制器出现故障时，从控制器通过无线传感收发装置接受到其状态信息后，可独立进行工作，大大增强了整个系统的自适应能力和鲁棒性。3智能控制系统设计智能控制系统从总体上分为硬件和软件2个部分，其中硬件以功率变换单元和智能控制器为主；软件以模糊控制算法为核心。3.1硬件设计智能控制系统硬件主要由噪声传感器、光电传感器、信号变送器、微处理器、A/D和D/A转换器等组成。光信号通过光电传感器转变成电信号，经变送器输入至A/D转换器，实现系统的开启和关闭。噪声信号通过噪声传感器转变成电信号，通过模糊控制算法实时处理人车流量信息，动态调节灯光强弱度，实现节能控制。其系统框图如图3所示。音频传感器光学传感器噪声变送噪声变送A/D转换CPU信号采集与处理、传感器线性传感器线性化、算法控制D/A转换功率变换单元光信号噪声信号图3硬件系统框图3.2系统控制算法设计本系统采用模糊控制算法对路灯进行有效的控制和调节，可以达到最佳节能效果。模糊控制分为3段实现：传感器采集路面车辆与行人所发出的噪声信号，经模糊控制器处理后通过D/A转换将控制信号传送给功率变换单元，从而实现对路灯端电压的调节，达到输出合适亮度的要求。为了满足路灯非线性系统的控制要求，采用具有修正因子的模糊控制设计，控制原理如图4所示。Fuzzy化控制表功率变换单元eEECU+-给定值图4模糊控制系统原理模糊控制有3个语言变量：噪声输入变量偏差E，噪声偏差变化率EC，输出控制量U。其中，噪声输入变量偏差分为大(PB)、较大(PS)、中(Z)、较小(NS)、小(NB)5个等级，代表了现场噪声的全部状况；噪声偏差变化率也分为5种情况，即变化率强(PB)、较强(PS)、中(Z)、较弱(NS)、弱(NB)。每一语言变量用5个语言值表示：负大(NB=-2)，负小(NS=-1)，零(Z=0)，正小(PS=1)，正大(PB=2)。加入修正因子后其输入/输出关系为U=[αE+(1-α)EC]其中，α为修正因子，且0≤α≤1。α的取值可改变控制规则的特性。为了确保α值合理正确，对于能存在的多个调整因子进行优化采用ITAE积分性能指标作为目标函数，即：0|()|dITAEtett∞=∫实验表明，该性能指标能综合评价控制系统的动态和静态性能是较为理想的全局性能指标。为了便于计算机实况，需将上式变为离散递推形式，即(1)()|()|nnSSITAEITAEnTenT+=+其中，e(n)为误差函数；ST为采样周期。将α在[0,1]的区间内的取值带入上式进行寻优，得到的最优调整因子与通过经验数据得到的相同：α取0.3和0.6较为适宜。α分别取0.3及0.6时所生成的控制规则见表1、表2。表1α=0.3时的控制规则表UEEC=-2EC=-1EC=0EC=1EC=2-2-2-1-101-1-2-10010-1-10011-100122-10112表2α=0.6时的控制规则表UEEC=-2EC=-1EC=0EC=1EC=2-2-2-2-1-10-1-1-1-1000-10001100111201122在控制过程中，根据所测及计算得出的噪声音频误差与误差变化率查询控制表，再乘以修正因子即可得到相应的控制增量。4无线通信网络设计系统采用ZigBee无线网络系统。ZigBee是以基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准为基础的一种短距离、低速率无线网络技术。它具有功率低、成本低、网络容量大、安全及工作频段灵活等特点[3]。本系统利用具有自动路由功能的通信控制器，对各个从智能控制器进行无线连接，一套完整的星形网络拓扑结构，如图5所示，在星形网络中，所有节点只能与协调器进行通信，相互之间的通信是不允许的。系统中只确定了1个网络协调器(与主智能控制器相连接)，若干个路由节点与从控制器相连。网络协调器负责建立网络和管理网络，显示相关控制状态。路由节点可以安装在道路旁边，连接或串状作为无线节点的中继控制器，以达到灯的开断和照度调节。全功能节点协调器图5星形网络拓扑结构系统采用C51RF-3-ZD5构建ZigBee无线网络控制系统，其基本路由器节点流程如图6所示。(下转第214页)—214—(a)输入图像(b)α值图像(c)提取效果图3本文算法提取光滑图像的效果图3(a)是用户输入的原始图像，图像中作为前景的老虎的颜色和背景颜色相差不大；图3(b)是以灰度图的形式表示的α值图像；图3(c)是用本文算法得出的结果。由图3(c)可以看出，本文算法已经能较好地把光滑图像中老虎的轮廓提取出来，对于边界模糊的虎须部分也有较好的提取效果。4结束语本文对Knockout方法进行改进，创新点归纳如下：(1)手工划分为3个部分后，对未知区域内像素点按其颜色变化量沿轮廓线进行区域生长，使手工划分的未知区域的一部分像素点划归到前景或背景区域中，减少了待估计的未知区域中像素点的数目。(2)Knockout算法的颜色模型在估计未知像素点的前背景颜色分量时，只用到了前背景轮廓线上的点，使Knockout算法只适用于图像的颜色比较光滑的情况。而本文算法以距离待处理像素点最近的前景和背景轮廓线上的点为中心的矩形块内前景和背景像素点的颜色加权平均值作为待处理像素点的前景和背景颜色分量，考虑到轮廓线以内的前背景像素点对未知像素点的影响。本文算法不仅适用于图像的颜色比较光滑的情形，而且也适用于图像的前背景颜色相差较大的情形。本文算法通过编程试验，取得了较好的景物提取效果。对于真实图形绘制技术、视频编缉处理以及多媒体制作等领域具有实用价值。