CN104735862A - 一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统和方法。所述系统由若干个分布式节点组成，每个节点包括信息采集模块，中央处理模块，本地照明控制模块，节点间无线通信模块，电源状态指示模块，唤醒信号产生模块。信息采集模块由节点工作状态远距离监控与唤醒模块、环境光线感知传感器模块、照明目标检测传感器模块和照明目标运动状态感知传感器模块组成。本发明所述系统具有睡眠和工作两种模式，节省了系统能耗。能够根据检测结果自动控制照明单元的开关，智能程度高，实时性好。本发明具有相邻节点协同合作功能，在检测到照明目标后，系统会检测本地亮度是否符合要求和目标是否有运动，并根据检测结果判断是否通知相邻节点启动照明。

Description

一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统和方法

技术领域

本发明属于物联网技术与照明系统自动控制领域，涉及一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统和方法。

背景技术

当前学校教室、写字楼、礼堂、图书馆、会议室、街道、走廊等公共场合的照明系统自动适应即时环境的能力差，智能化水平低，从而造成能源的巨大浪费。2013年，苏山、叶亭等在其论文“校园公共场所照明节能技术研究”中，提出了采用集中控制和管理、分散执行的照明系统控制方法，将照明区域通过总线连成一个网络，配置中央监控中心和智能控制照明柜，由控制计算机、监控者、主通信控制器等设备对整个建筑物的灯光进行监控和管理。该系统自动化、智能化水平较低，只是实现了集中管理，但仍需依赖管理者进行监测和控制；自动适应即时环境的能力差，而且以总线的方式组网复杂，不利于大规模使用。2011年，刘和剑等在论文“基于80C51系列单片机节能照明控制的设计”中，提出了基于单片机结合可见光检测、声音探测、压力探测和人体红外热感应探测的教学楼智能节能控制器。该系统只能实现检测到目标时开启本地照明，对照明的效果是否满足要求，是否通知相邻节点启动照明等未有涉及，系统独立，无协同功能，智能程度低，不能达到对能量的精细管理。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统和方法，利用传感技术、节点自组网技术、短距离无线通信技术以及智能算法，实现教室的环境亮度、是否有人、人员的空间分布情况，街道或走廊的环境亮度、是否有行人或车辆等运动物体及物体运动方向和速度等环境信息的采集，并利用智能抉择算法实现对本地及临近区域照明设备的启停控制。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，由若干个分布式节点组成，系统节点分布示意图如图1所示。其特征在于，每个节点包括：信息采集模块，中央处理模块，本地照明控制模块，节点间无线通信模块，电源状态指示模块，唤醒信号产生模块。其中，

信息采集模块：用来采集环境信息，并将获得的环境信息送至中央处理模块。信息采集模块由多个传感器和节点工作状态远距离监控与唤醒模块组成，用户根据不同的应用给节点配备不同的传感器，包括：环境光线感知传感器模块，照明目标检测传感器模块，照明目标运动状态感知传感器模块。环境光线感知传感器模块用于感知当前环境的亮度；照明目标检测传感器模块用于感知当前环境中是否有照明目标(人、运动车辆等)；照明目标运动状态感知传感器模块用于检测照明目标是否运动，如果有运动，利用节点间通信模块发出信号告知相邻节点启动照明；节点工作状态远距离监控与唤醒模块用于检测和诊断节点是否工作正常，在传感器输出唤醒失败的情况下，接收远距离(管理者短信)唤醒信号。各分布式节点按照照明区域的空间结构和公共场所参与人员的习惯进行分布，可以是线形、星形、方框形等，各节点的距离依据各传感器的感知距离和节点间无线通信模块的有效距离来确定。

中央处理模块：用于读取各传感器感知结果，根据感知结果确定是否启动本地照明和通知相邻节点启动照明，并发送相应控制信号给照明控制模块和通信数据给节点间无线通信模块。

本地照明控制模块：接收中央处理模块发出的控制信号，控制本地照明单元的开关。

节点间无线通信模块：用于在中央处理模块控制下，完成与相邻节点的通信。

电源状态指示模块：用于在中央处理模块控制下显示节点的电源能量状态：能量充足和能量低。电源状态由中央处理器通过读取电源两端的电压或电源回路电流进行判断获得。

远距离唤醒信号产生模块：通过检测环境光线感知传感器模块输出的大小或是否有远距离唤醒请求，实现中央处理模块由一个状态到另一个状态的转换，即工作模式和低功耗模式之间的转换，达到节点在空闲时进入休眠模式、事件时被唤醒，从而节省系统能耗。

利用所述系统进行节能照明控制的方法包括以下步骤：

步骤1，实时监测环境亮度和远距离监控与唤醒信号。

步骤2，组建传感器网络。

步骤3，检测节点电源状态，进行能量提醒。

步骤4，本地照明控制。

步骤5，邻近节点照明控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.与现有的节能照明控制系统相比，本发明实现了环境信息和照明目标的自动检测功能。在环境亮度高于预设值得情况下，系统工作在睡眠模式，只有环境亮度不符合规定时才转入工作模式，节省了系统能耗。能够根据检测结果自动控制照明单元的开关，无需人工参与管理，智能程度高，实时性好。

2.与现有的节能照明控制系统相比，本发明具有相邻节点协同合作功能，在检测到照明目标后，系统会检测本地亮度是否符合要求和目标是否有运动，并根据检测结果判断是否通知相邻节点启动照明。

3.与现有节能照明采用有线组网方式相比，本发明采用无线组网方式，结构简单，实用范围广。

附图说明

图1为本发明所述系统节点分布示意图；

图2为本发明所述系统每个节点的组成框图；

图3为本发明所述方法流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施方式对本发明做进一步说明。

本发明所述系统由若干个分布式节点组成，如图1所示，每个节点组成框图如图2所示，包括：信息采集模块1，中央处理模块2，本地照明控制模块3，节点间无线通信模块4，电源状态指示模块5，唤醒信号产生模块6。其中，

信息采集模块1：用来采集环境信息，并将获得的环境信息送至中央处理模块2。信息采集模块1由节点工作状态远距离监控与唤醒模块14和多个传感器组成，传感器包括：环境光线感知传感器模块11，照明目标检测传感器模块12，照明目标运动状态感知传感器模块13。各传感器按照照明区域的空间结构和公共场所参与人员的习惯进行分布，可以是线形、星形、方框形等，各节点的距离依据各传感器感知距离和节点间无线通信模块4的有效距离来确定。所述传感器既可采用输出模拟信号的传感器，也可以采用输出数字信号的传感器。其中，

环境光线感知传感器模块11：与中央处理模块2相连，用于感知所在环境的亮度信息。采用由光敏器件组成的光照强度传感器，可以是光敏电阻或光电管，如PSR系列、on9658-c系列等。

照明目标检测传感器模块12：用于检测照明目标的存在。当照明目标为人时，采用红外热释传感器，如P228\LH1958\RE200B\KDS209\PIS209\LHI878\PD632等，或红外运动传感器，如AMB2402；当照明目标为车辆时，采用红外对射管、振动传感器、声音传感器等中的一种或多种。

照明目标运动状态感知传感器模块13：用于检测照明目标是否运动以及运动的方向。当照明目标为车辆时，采用磁力传感器，如M-GAGE系列之S18M等，或雷达、超声检测等。当照明目标为人时，照明目标运动状态感知传感器模块13可由照明目标检测传感器模块12代替，其输出信号增强说明人体朝着传感器方向移动；输出信号减弱则说明人体背离传感器方向移动。

节点工作状态远距离监控与唤醒模块14：由具有GPRS或GSM通信功能的节点间无线通信模块如TC35组成。用于远距离监测本照明控制节点是否正常工作，以及在本节点未能正常唤醒的情况下，接收远距离管理者通过手机等通讯设备发送的唤醒信号，并产生唤醒输出到唤醒信号产生模块6。当需要检查本节点是否正常工作时，通过远距离发送短信息到本节点，本节点收到短信息后，依据自定义通信协议，由中央处理模块2对系统进行检测，并将检测结果通过短信方式发送到指定号码。

中央处理模块2：用于读取和处理信息采集模块1检测到的信息，并通过运行预先加载在中央处理模块的程序和算法，向本地照明控制模块3发出控制信号，向节点间无线通信模块4发送控制信号和传输内容。中央处理模块2应具有睡眠和工作两种模式，如STM32W108或EM35等。如果其处于睡眠模式，当某GPIO口的输入信号发生跳变时，会自动唤醒中央处理模块2进入工作状态。中央处理模块2通过通信接口(串口或SPI接口)与通信模块4相连，中央处理模块2通过GPIO与其它模块相连；也可采用带射频功能的单片机，如STM32W或CC2530或EM35等，这时可省去通信模块4。

本地照明控制模块3，在中央处理模块2发出的控制信号作用下，控制照明单元的开关。包括控制继电器电路，驱动电路等。

节点间无线通信模块4：当中央处理模块2具有射频功能并支持所需通信模式的情况下，系统无需专门的节点间无线通信模块4，当中央处理模块2不具无线通信功能或不支持所需短距离通信模式时，节点间无线通信模块4通过通信接口与中央处理模块2相连，向邻近节点发送组建传感器网络和启动照明等命令。无线通信采用短距离通信方式，可采用ZigBee、Wifi、Blueteeth等。

电源状态指示模块5：与中央处理模块2相连，用于显示电源状态并进行低能量提醒。节点电源状态由中央处理模块2通过读取电源两端的电压或电源回路电流进行判断。包括现场的声音提示、光提示和远距离通信模式提示中的一种或多种，由LED灯、蜂鸣器或远距离通信模块等方式结合软件编程实现。

唤醒信号产生模块6：由一比较器电路组成，用于根据环境光线感知模块11和节点工作状态远距离监控与唤醒模块14的输出产生唤醒信号。如果环境光线感知模块11的输出为数字信号，其输出直接与节点工作状态远距离监控与唤醒模块14的输出求或作为唤醒信号；如果环境光线感知模块11的输出为模拟信号，将所述模拟信号输入到所述比较器与阈值进行比较，比较器输出与节点工作状态远距离监控与唤醒模块14的输出求或作为唤醒信号。

应用所述系统进行照明节能控制的方法流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1，实时监测环境亮度和远距离监控与唤醒信号。

处于低功耗睡眠模式的节点实时监测环境光线感知传感器模块11和节点工作状态远距离监控与唤醒模块14的输出。当环境亮度低于阈值时，或有远距离唤醒信号时，节点工作状态远距离监控与唤醒模块14输出信号至唤醒信号产生模块6，本节点由睡眠模式转入工作模式。

步骤2，组建/加入传感器网络。通过具有带组网功能的中央处理模块2或节点间无线通信模块4结合通信协议和编程实现。首先被唤醒的节点以自己为中心组建网络(如WIFI的热点、ZIGBEE的协调器)，随后被唤醒的节点加入该网络。

步骤3，检测节点电源状态，进行低能量提醒。

中央处理模块2读取电源两端的电压或电源回路电流，如果其大小低于阈值，表明节点电源处于低能状态，控制电源状态指示模块5进行低能量提醒。

步骤4，本地照明控制。

中央处理模块2通过读取分布节点中照明目标检测传感器模块12的检测数据，判断是否有人，或在街道和道路环境下是否存在运动车辆等照明目标。

当节点由低功耗睡眠模式转入工作模式后，如果检测到照明目标，而且照明控制开关未启动，则通过本地照明控制模块3启动照明；若照明控制开关已启动，则保持。如果未检测到照明目标，但相邻节点有照明请求，也通过本地照明控制模块3启动照明；若照明控制开关已启动，则保持。若既无照明目标，相邻节点也没有照明请求，则关闭本地照明。

步骤5，邻近节点照明控制。

根据环境光线感知传感器模块11的输出，判断环境亮度是否符合规定亮度。若不符合要求，利用节点间无线通信模块4，或具有短距离通信功能的中央处理模块2，发送开启照明信息给邻近节点。邻近节点收到信息后，由邻近节点的中央处理模块2输出控制信号给其照明控制模块启动照明。若符合亮度要求，则保持当前状态。

根据物体运动状态感知传感器模块13的输出判断照明目标是否有运动。如果有运动，判断运动方向，并利用节点间无线通信模块4，或具有短距离通信功能的中央处理模块2，发送开启照明信息给运动方向的相邻节点；否则，返回步骤3继续进行节点能量检测。

Claims (8)

1.一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，由若干个分布式节点组成，其特征在于，每个节点包括：信息采集模块(1)，中央处理模块(2)，本地照明控制模块(3)，节点间无线通信模块(4)，电源状态指示模块(5)，唤醒信号产生模块(6)；其中，

信息采集模块(1)：用来采集环境信息，并将获得的环境信息送至中央处理模块(2)；信息采集模块(1)由节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)和多个传感器组成，传感器包括：环境光线感知传感器模块(11)，照明目标检测传感器模块(12)，照明目标运动状态感知传感器模块(13)；其中，

环境光线感知传感器模块(11)：与中央处理模块(2)相连，采用由光敏器件组成的光照强度传感器，用于感知所在环境的亮度信息；

照明目标检测传感器模块(12)：与中央处理模块(2)和唤醒信号产生模块(6)相连，用于检测照明目标的存在；

照明目标运动状态感知传感器模块(13)：与中央处理模块(2)相连，用于检测照明目标是否运动以及运动的方向；

节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)：由具有GPRS或GSM通信功能的节点间无线通信模块组成；用于远距离监测本照明控制节点是否正常工作，以及本节点未能正常唤醒的情况下，根据接收到的短信内容输出信号至唤醒信号产生模块(6)；当需要检查本节点是否正常工作时，通过远距离发送短信息到本节点，本节点收到短信息后，依据自定义通信协议，由中央处理模块(2)对系统进行检测，并将检测结果通过短信方式发送到指定号码；

中央处理模块(2)：用于读取和处理信息采集模块(1)检测到的信息，向本地照明控制模块(3)发送控制信号，向节点间无线通信模块(4)发送控制信号和传输数据；

本地照明控制模块(3)：在中央处理模块(2)发出的控制信号作用下，控制照明单元的开关；包括控制继电器电路，驱动电路；

节点间无线通信模块(4)：通过通信接口与中央处理模块(2)相连，向邻近节点发送组建传感器网络和启动照明命令；无线通信采用短距离通信方式；

电源状态指示模块(5)：与中央处理模块(2)相连，用于显示电源状态并进行低能量提醒；节点电源状态由中央处理模块(2)通过读取电源两端的电压或电源回路电流进行判断；

唤醒信号产生模块(6)：由一比较器电路组成，用于根据环境光线感知传感器模块(11)的输出产生唤醒信号；如果环境光线感知模块(11)的输出为数字信号，其输出直接与节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)的输出求或作为唤醒信号；如果环境光线感知模块(11)的输出为模拟信号，将所述模拟信号输入到所述比较器与阈值进行比较，比较器输出与节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)的输出求或作为唤醒信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，所述节点按照照明区域的空间结构和公共场所参与人员的习惯进行分布，分布形状为线形或星形或方框形，各节点的距离依据各传感器感知距离和节点间无线通信模块(4)的有效距离来确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，所述信息采集模块(1)中的传感器为输出模拟信号的传感器或输出数字信号的传感器。

4.根据权利要求1所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，所述照明目标检测传感器模块(12)，当照明目标为人时，采用红外热释传感器，或红外运动传感器；当照明目标为车辆时，采用红外对射管、振动传感器、声音传感器中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，所述照明目标运动状态感知传感器模块(13)，当照明目标为车辆时，采用磁力传感器，或雷达、超声检测器件；当照明目标为人时，照明目标运动状态感知传感器模块(13)由照明目标检测传感器模块(12)代替，其输出信号增强说明人体朝着传感器方向移动；输出信号减弱则说明人体背离传感器方向移动。

6.根据权利要求1所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，所述中央处理模块(2)应具有睡眠和工作两种模式，如果其处于睡眠模式，当某GPIO口的输入信号发生跳变时，会自动唤醒中央处理模块(2)进入工作状态。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于自动感知的公共场所节能照明控制系统，其特征在于，如果中央处理模块(2)采用具有短距离通信功能的单片机，省去节点间无线通信模块(4)。

8.一种应用权利要求1所述系统进行节能照明控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，实时监测环境亮度和远距离监控与唤醒信号；

处于低功耗睡眠模式的节点实时监测环境光线感知传感器模块(11)和节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)的输出；当环境亮度低于阈值时，或有远距离监控与唤醒信号时，节点工作状态远距离监控与唤醒模块(14)输出信号至唤醒信号产生模块(6)，本节点由睡眠模式转入工作模式；

步骤2，组建传感器网络；

通过具有带组网功能的中央处理模块(2)或节点间无线通信模块(4)结合通信协议和编程实现；首先被唤醒的节点以自己为中心组建网络，随后被唤醒的节点加入已组建网络；

步骤3，检测节点电源状态，进行低能量提醒；

中央处理模块(2)读取电源两端的电压或电源回路电流，如果其大小低于阈值，表明节点电源处于低能状态，控制电源状态指示模块(5)进行低能量提醒；

步骤4，本地照明控制；

中央处理模块(2)通过读取分布节点中各照明目标检测传感器模块(12)的检测数据，判断是否有人，或在街道和道路环境下是否存在运动车辆；

当节点由低功耗睡眠模式转入工作模式后，如果检测到照明目标，而且照明控制开关未启动，则通过本地照明控制模块(3)启动照明；若照明控制开关已启动，则保持；如果未检测到照明目标，但相邻节点有照明请求，也通过本地照明控制模块(3)启动照明；若照明控制开关已启动，则保持；若既无照明目标，相邻节点也没有照明请求，则关闭本地照明；

步骤5，邻近节点照明控制；

根据环境光线感知传感器模块(11)的输出，判断环境亮度是否符合规定亮度；若不符合要求，利用节点间通信模块(4)或具有短距离通信功能的中央处理模块(2)，发送开启照明信息给邻近节点；邻近节点收到信息后，由邻近节点的中央处理模块(2)输出控制信号给照明控制模块(3)启动照明；若符合亮度要求，则保持当前状态；

根据物体运动状态感知传感器模块(13)的输出判断照明目标是否有运动；如果有运动，判断运动方向，并利用通信模块(4)，或具有短距离通信功能的中央处理模块(2)，发送开启照明信息给运动方向的相邻节点；否则，返回步骤3继续进行节点能量检测。