CN103148436A - 基于物联网的自然光、电力混合照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的自然光、电力混合照明系统，包括太阳光收集器、跟踪机构、室内混合照明、控制机构，所述的太阳光收集器的结构是，滤光球壳的内赤道面安装有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜背后设置有二次会聚透镜，二次会聚透镜的出光口与光纤联通，滤光球壳设置在跟踪机构的驱动架中；跟踪机构中，在滤光球壳的外赤道面对向太阳方向均匀安有四只光电传感器和一个细追踪传感器；驱动架中的两个全向轮分别与各自的减速电机传动连接；控制机构中的电脑与无线路由器及以太网接口的AP模块连接、AP模块与单片机连接，携带wifi模块的灯具与电力照明转换器连接。本发明装置实现了人工控制采光、远程及近程无线控制。

Description

基于物联网的自然光、电力混合照明系统

技术领域

本发明属于自然光的照明利用控制技术领域，涉及一种基于物联网的自然光、电力混合照明系统。

背景技术

光导照明技术应用于大型体育场馆和公共建筑以及办公楼、住宅、商店、旅馆、白天阴暗的房间或地下室、地下车库、隧道、地铁等建筑的采光照明中，可以取得良好的视觉照明效果和经济效益。应用此技术可以充分利用太阳能，有效地减少白天的照明电耗。引进光导管技术，使其在照明节电中发挥作用对建筑节能有积极意义。另外自然通风和自然光照明结合越来越多地运用到现代建筑中，与自然通风相结合的光导管系统将进一步拓宽光导管的应用范围，满足建筑物对自然采光和自然通风的要求，可以使自然光照明效果更加完善。

随着建筑物结构的日趋复杂以及人们对自然光照明要求的逐步提高，传统的自然光照明方式已无法满足人们的要求，棱镜折光板、光导纤维等采光装置被逐渐引入到建筑物的采光设计中。

现有的类似光导管照明技术，其产品的光导性、难燃性和阻燃性优良，并具有极好的隔热和隔音效果，且透过率高。当前的光导照明系统仅限于将自然光引入光照不足的区域，无法人工控制采光装置的持续工作，使得维护难度增大，安装成本增高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网的自然光、电力混合照明系统，解决了现有技术中，光导照明系统仅限于将自然光引入光照不足的区域，无法人工控制采光装置持续工作和转换照明的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于物联网的自然光、电力混合照明系统，包括太阳光收集器、跟踪机构、室内混合照明、光纤、控制机构，

所述的太阳光收集器的结构是，包括滤光球壳，滤光球壳的内赤道面安装有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜背后设置有二次会聚透镜，二次会聚透镜的出光口与光纤联通，光纤末端与太阳光室内照明器连通，滤光球壳下半体设置在跟踪机构的驱动架中；

所述的跟踪机构的结构是，包括五个传感器和一个驱动架，在滤光球壳的外赤道面对向太阳方向均匀安装有四只光电传感器，同时在滤光球壳的外赤道面上还设置有一个对向太阳方向的细追踪传感器；驱动架中设置有三个转轮，其中一个是被动转轮，另外两个是相互正交的全向轮A和全向轮B，全向轮A和全向轮B分别与各自的减速电机传动连接；

所述的控制机构的结构是，包括电脑，电脑通过互联网与无线路由器连接，无线路由器与以太网接口的AP模块连接、AP模块与单片机连接，单片机还同时与所述的五个传感器、两个减速电机的电机驱动、光敏传感器以及携带wifi模块的灯具分别连接，携带wifi模块的灯具与电力照明转换器连接，电力照明转换器与光敏传感器和电力照明灯具同时连接。

本发明的有益效果是：利用无线控制技术，通过物联网，采用电脑或手机上网登陆网页，即可设置照明系统的工作状态，符合人们的日常生活习惯，有较高的应用和推广价值。

1）采光装置在结构上采用独特的球形外壳，聚光透镜固定在距离球壳的赤道面等距面上，球壳底部两个电机控制转动方向追踪太阳，达到轻便、省电、易于维护安装、转动角度精确等目的。

2）利用开源软硬件arduino及传感器，实现简单、高效的室外太阳的自动跟踪，以及自然光照明与电力照明的自动开关转换。

3）将自然光导照明与物联网（互联网）技术相结合，通过EN28J16以太网接口模块分配IP地址，实现登陆网页的方式对自然光照明系统中的太阳跟踪和供电照明开关实行远距设置。

4）将自然光导照明与无线控制技术结合，使用现如今流行的wifi技术与蓝牙技术，实现手机近距离（100米左右）无线控制，调节自然光与供电照明之间的转换。

附图说明

图1是本发明的混合照明系统的结构示意图；

图2是本发明装置中的太阳光收集器及驱动架安装结构示意图；

图3是本发明装置中的跟踪机构的五个传感器安装位置示意图；

图4是本发明装置中的太阳跟踪驱动电路示意图。

图中，1.滤光球壳，2.菲涅尔透镜，3.二次会聚透镜，4.光纤，5.太阳光室内照明器，6.多面体散光球，7.光敏传感器，8.电力照明转换器，9.被动转轮，10.电脑，11.单片机，12.手机，13.无线路由器，14.AP模块，15.细追踪传感器，16.蓝牙，17.全向轮A，18.全向轮B。

具体实施方式

本发明的系统工作时，默认自然光照明优先，在自然光照明不足时，控制机构能够实现自动启动电力照明。

如图1所示，本发明的基于物联网的自然光、电力混合照明系统的结构是，包括太阳光收集器、跟踪机构、室内混合照明、光纤4、控制机构，五个部分的核心控制主板是单片机11（优选arduino型号）。

太阳光收集器通过对透镜面积、焦距设置合理的安装参数，将各组件组装起来，能够滤去有害波段、实现可见光的跟踪收集。

室内混合照明包括并列设置的太阳光室内照明器5和电力照明灯具，每个太阳光室内照明器5包括一个多面体散光球6和灯罩组成，电力照明灯具与正常的供电线路连接；

光纤4为PMMA（polymethylmethacrylate聚甲基丙烯酸甲酯）材料制作，外径为12mm、纤芯直径为10mm，光纤4前端与太阳光收集器联通，光纤4末端与太阳光室内照明器5连通，通过计算能够获得直光纤和弯曲光纤的损耗，进行合理布线；

参照图2，太阳光收集器的结构是，包括滤光球壳1、菲涅尔透镜2、二次会聚透镜3组成，滤光球壳1采用透明亚克力材质半球罩封制而成，滤光球壳1的内赤道面安装有菲涅尔透镜2，菲涅尔透镜2背后设置有二次会聚透镜3，二次会聚透镜3的出光口与光纤4联通，滤光球壳1下半体设置在跟踪机构的驱动架中；

参照图2、图3、图4，跟踪机构的结构是，包括五个传感器和一个带底座的半开放结构的驱动架，在滤光球壳1的外赤道面对向太阳方向均匀安装有四只光电传感器（A1、A2、B1、B2），同时在滤光球壳1的外赤道面上还设置有一个对向太阳方向的细追踪传感器15；驱动架中设置有三个转轮，起到传动和支撑滤光球壳1的作用，其中一个是起支撑作用的被动转轮9，另外两个是相互正交的起驱动作用的全向轮A17和全向轮B18（以下简称全向轮，两个全向轮的转动方向设置为一个沿Z轴、另一个沿Y轴），根据角速度矢量合成原理，全向轮A17和全向轮B18分别与各自的减速电机（即图4中的M1和M2）传动连接，四只光电传感器、细追踪传感器15以及两个减速电机（M1和M2）均与单片机11信号连接。

细追踪传感器15的型号为BH1750。

跟踪机构默认设置为应用于强光时的工作模式，四个光电传感器的阻值约为几千到几十千欧，可调电阻的阻值设置为100欧，即只有在较强太阳光照下才能发出有效数值输出，当太阳光照较弱时，此时输出电压约为电源电压，则每一组的两个光电传感器均输出电压接近电源电压的大小时，可认为是弱光环境，单片机11则控制整套装置停止跟踪。

参照图4，太阳光收集器在进行太阳光的跟踪过程中，首先，开启横向方位（即东西方向）设置的两个光电传感器（A1、A2），感知太阳的方位（光照最强的位置），获得太阳光的照射强度参数后上传到单片机11进行处理，单片机11启动减速电机M1驱动相应的万向轮，根据两个光电传感器（A1、A2）获得的光照强弱的差值大小，来调节转动时间的长短，当差值小于误差要求时，理论上已经跟踪无误，此时关闭减速电机M1。然后，开启纵向仰俯方向（即南北方向）设置的另外两个光电传感器（B1、B2），工作方式同前述横向的跟踪过程类似，反复微调多次，直到非涅尔透镜2正对太阳，此时，两个方向设置的两组光电传感器电势差均为零，即光电传感器接收的光照度相同停止（两组光电传感器所围成的面与非涅尔透镜2平行）。

由实验测得水平方向（即方位角方向）跟踪太阳时，电机持续转动90°需要约12s，则可算出每秒转7.5°，对于精细的跟踪设计为每次转动50ms，也就是精度达到0.375°，此时实测可以看见聚焦的光斑完全能集中到光纤端面上。竖直方向（即高度角方向）跟踪时也能达到上述精度。

参照图1、图4，控制机构的结构是，包括远程设置的电脑10，电脑10通过互联网与无线路由器13连接，无线路由器13与以太网接口的AP模块14（即无线接入模块，作用是连接无线网与互联网）连接、AP模块14与单片机11连接，单片机11还同时与上述的五个传感器、两个减速电机的电机驱动、光敏传感器7以及携带wifi模块的灯具分别连接，携带wifi模块的灯具与电力照明转换器8连接，电力照明转换器8与光敏传感器7和电力照明灯具同时连接；

控制机构另外设置有蓝牙16，蓝牙16与手机12上的蓝牙设备无线连接，蓝牙16另外与携带wifi模块的灯具开关无线连接，用于将各个传感器采集的数据通过蓝牙方式传出，利用近距离的手机12上的蓝牙设备接收查看，同样通过手机12直接控制携带wifi模块的灯具开关动作，也能够实现近距离的控制功能。

本发明装置的工作过程是，当室内太阳光的光照度达到设定阈值时，太阳光收集器开始工作，首先开启两组光电传感器，用于粗略的定位，两组光电传感器分别采集太阳光信号发送至单片机11，单片机11处理后输出的信号进入电机驱动器分别控制减速电机（M1和M2）转动，分别带动各自的全向轮（全向轮A17和全向轮B18）转动，调整太阳光收集器朝向太阳的角度，最终使得非涅尔透镜2正对太阳，太阳光经收集后穿入光纤4被送入室内的太阳光室内照明器5；室内的光敏传感器7（环境照度传感器）捕获最大光照信号后再次反馈给单片机11，使定日校正动作停止；通过网络设备接收和发射无线信号（参考图1)，能让用户在远端电脑或智能手机上检测到室内光照信息，并能对其开启和关闭，实现远程控制；

当室内变暗房间光照度降破下限阈值时，光敏传感器7接收到相应信号，参数显示的同时也输出了动作信号给电力照明灯具的继电器，继电器打开220V电力照明电路的开关，启动电力照明；

若人员离开室内，可转为无线控制模式，通过蓝牙或WIFI实现远程开关控制。需要远程操作时，操作人员通过电脑10登录互联网预设网页，发送指令到无线路由器13，无线路由器13向搭载在单片机11和以太网接口的AP模块14发送指令，AP模块14再向携带wifi模块的灯具发送开关灯动作指令，电力照明转换器8打开或关闭电力照明灯具。

本发明的关键技术方案包括如下4点：

1）利用自编程序控制减速电机驱动菲尼尔透镜自动追随室外太阳位置，尽量保证菲尼尔透镜的匹配尺寸、户外安装的结构、低噪声；实施例采用半径为r=0.2m（S=0.1256m²）的圆形菲尼尔透镜，按正常日照为1000W/m²的情况下约截获125.6W太阳辐射能，滤去红光紫光后，理论上还能够剩下60W的太阳辐射能。

2）太阳光收集器是一个全向机器人与球型机器人的创新型组合体：采用一组正交的全向轮来控制收集器的转动，进行水平转向运动与仰俯运动的动力学矢量耦合，简化了控制系统程序设计上的难度，并有效降低了跟踪路径所消耗的时间与能量。基于能量消耗下的拉格朗日方程，建立收集器的运动学方程，从而体现出本发明无云台跟踪结构的优势。

3）自然光照明与供电照明的自动切换：按照CIE（国际照明委员会Commission Internationale de L'Eclairage）设定的照度标准，以一般建筑区域的休息室为例，要求平均照度达到200lx，标准办公环境所需平均照度为400lx。为了弥补夜间或阴天日光照明无法作业的不足，本系统将现有的供电照明与自然光照明结合，利用自行设计的控制程序，能使得自然光照明和电力照明自动切换，在光照不足时自动开启电力照明，不影响整体照明系统的效果。

4）利用物联网功能实现遥控开关和远程控制照明的功能：利用物联网中的无线控制技术，实现智能照明控制。自然光照明则利用物联网技术中的zigbee无线通信技术来消除火灾隐患以及线路不方便改动的缺点，同时使用者既可以通过PC或者手机登陆yeelink网页来控制照明电路，又可以近距离通过WiFi和zigbee来控制无线照明电路，照明系统更加智能化。

Claims (4)

1.一种基于物联网的自然光、电力混合照明系统，其特征在于：包括太阳光收集器、跟踪机构、室内混合照明、光纤（4）、控制机构，

所述的太阳光收集器的结构是，包括滤光球壳（1），滤光球壳（1）的内赤道面安装有菲涅尔透镜（2），菲涅尔透镜（2）背后设置有二次会聚透镜（3），二次会聚透镜（3）的出光口与光纤（4）联通，光纤（4）末端与太阳光室内照明器（5）连通，滤光球壳（1）下半体设置在跟踪机构的驱动架中；

所述的跟踪机构的结构是，包括五个传感器和一个驱动架，在滤光球壳（1）的外赤道面对向太阳方向均匀安装有四只光电传感器，同时在滤光球壳（1）的外赤道面上还设置有一个对向太阳方向的细追踪传感器（15）；驱动架中设置有三个转轮，其中一个是被动转轮（9），另外两个是相互正交的全向轮A（17）和全向轮B（18），全向轮A（17）和全向轮B（18）分别与各自的减速电机传动连接；

所述的控制机构的结构是，包括电脑（10），电脑（10）通过互联网与无线路由器（13）连接，无线路由器（13）与以太网接口的AP模块（14）连接、AP模块（14）与单片机（11）连接，单片机（11）还同时与上述的五个传感器、两个减速电机的电机驱动、光敏传感器（7）以及携带wifi模块的灯具分别连接，携带wifi模块的灯具与电力照明转换器（8）连接，电力照明转换器（8）与光敏传感器（7）和电力照明灯具同时连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的自然光、电力混合照明系统，其特征在于：所述的控制机构设置有蓝牙（16），蓝牙（16）与手机（12）上的蓝牙设备无线连接，蓝牙（16）另外与携带wifi模块的灯具开关无线连接。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的自然光、电力混合照明系统，其特征在于：所述的室内混合照明包括并列设置的太阳光室内照明器（5）和电力照明灯具，每个太阳光室内照明器（5）包括一个多面体散光球（6）和灯罩，电力照明灯具与正常的供电线路连接。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的自然光、电力混合照明系统，其特征在于：所述的滤光球壳（1）采用透明亚克力材质半球罩封制而成。

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