CN108012376B - 一种开放办公室分布式照明控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放办公室分布式照明控制方法，该开放办公室包括有N个亮度可调节的LED灯，分别布置在M个工作台上用以设定工作台期望照度的智能设备，N个传感器‑执行器节点，用以一一对应检测LED灯照度和控制调节LED灯亮度。本发明中，N个传感器用以获取M个工作台的期望照度，基于平均一致性理论计算开放办公室的期望照度；N个传感器‑执行器检测N个灯具的照度信息，基于期望照度和实际照度间的偏差分布式调整N个灯具的亮度水平。本发明提供了一种开放办公室照明亮度自动控制策略，可用于目前已有的智能化办公室中，实现根据实际需求对智能开放办公室工作台的亮度调整。

Description

一种开放办公室分布式照明控制方法

技术领域

本发明涉及照明控制领域，具体是一种开放办公室分布式照明控制方法。

背景技术

智能办公室与智能家居，是基于物联网发展逐渐兴起的新的建筑形式。目前智能开放办公室中工作台的光源亮度虽然可通过控制装置进行控制，但其控制形式仅为简单的开通和关闭控制，并且多由人工通过控制装置进行，无法根据实际照度需求对光源亮度进行智能化自动调整。

开放式办公已成为一种趋势，要求照明控制系统能根据据办公特点、个人喜好等实时调节各个办公区间的照度水平。目现有照明控制可以分为两类，集中式控制和分布式控制。集中式控制采用多个传感器采集照度信息，由一个集中的中央控制器进行LED灯照度的调节；分布式控制则通过布置多个传感器节点和控制节点，由控制节点分布式控制部分LED灯的照度，更适合于开放式办公系统照明控制。

本发明从照明角度研究智能建筑节能，提出一种分布式照明控制方法，考虑日光照度对控制系统的影响，在照度满足要求情况下最小化照明系统能量消耗。通过无线传感器网络技术实现照度信息的采集和传输，基于一致性技术获得办公室的平均期望照度，采用最小二乘法进行天花板日光照度到工作台日光照度的映射，基于反馈控制原理实时调节LED灯的PWM输出，实现照度满足要求情况下照明系统最低能量消耗的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种开放办公室分布式照明控制方法，以解决现有技术智能开放办公室不具备光源亮度智能化自动调整的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种开放办公室分布式照明控制方法，所述的开放办公室包括有：

N个布置在天花板上的亮度可调节的LED灯；

分别布置在M个工作台上用以设定工作台期望照度的智能设备，每个工作台设定的期望照度由智能设备以无线形式广播出去；

N个传感器-执行器节点，用以一一对应检测LED灯照度和控制调节LED 灯亮度，且每个LED灯基于占空比机制进行0％—100％亮度的控制调节；

其特征在于：包括以下步骤：

(1)、图论表示：

用图来表征各个传感器-执行器节点构成的分布式网络中节点间的通信关系，其中V＝{1,2,...,N}为节点集合，N表示节点数目；

用边集表示N个节点间通信关系，若节点i接收到节点j的信息，则{i,j}∈E(i,j∈V,i≠j)，反之且假定网络中不存在自连接，即若{i,j}∈E，则节点j为节点i的输入邻居节点；

定义N_i＝{j|(i,j)∈E,i≠j}表示节点i的输入邻居节点集，d_i＝|N_i|表示节点 i的入度。

(2)、基于平均一致性理论计算获取开放办公室期望照度：

记ω_rl为工作台l的期望照度设定值，其中l＝1,2,...,M)，ω_rl由位于工作台上的无线智能设备进行设置，在设置完成后以无线形式广播给传感器-执行器节点；位于天花板上的传感器-执行器i接收通信范围内工作台发来的期望照度设定值ω_rq(q＝1,2,...,M,q∈N_ri)，根据公式进行办公室期望照度初值ω_ri(0)的获取，通过与相邻传感器-执行器j(j∈N_i)间的信息交换，并基于公式进行ω_ri(k)的迭代，其中k∈Z为迭代次数，μ>0为分布式控制增益,Wi_j为传感器-执行器节点j与i间的连接权重；

将N个传感器-执行器间的通信关系用网络G来表征，记对角阵为网络G的入度矩阵，W＝{W_ij}为网络G的连接权重矩阵，则网络G的拉普拉斯矩阵为L＝D_in-W，分别按照公式：

以及公式：

进行W_ij和μ设计，其中d_i为传感器-执行器节点i的输入邻居节点数，λ_i(L)为矩阵L的第i个特征值；

(3)、基于期望照度和实际照度间的偏差进行LED灯亮度的分布式调整，包括以下步骤：

(3.1)、日光匹配矩阵C^LS估计：

记d_i和p_l分别为日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献，d和p 分别为日光在传感器-执行器和工作台处的照度贡献向量，其中照度贡献向量d 由N个传感器-执行器测量得到；

在系统训练阶段，关闭所有的LED灯，在M个工作台上布置M个照度传感器用以检测日光在工作台出的照度贡献p，测量r组数据以得到样本矩阵 P＝[p₁,p₂,...,p_r]和D＝[d₁,d₂,...,d_r]，r>>M,r>>N，基于最小二乘法进行d到p 的日光匹配矩阵C^LS∈R^M×N的估计，具体为：

如此，在照明控制系统中，根据日光在传感器-执行器处的照度贡献d估计出日光在工作台处的照度贡献p，具体为p＝C^LSd；

(3.2)、工作台实时照度计算：

分别记y_i、u_i和ω_l为传感器-执行器i检测的实际照度、LED灯i的亮度输出和工作台l的实际照度，传感器-执行器i按照公式：

估计工作台l的实际照度，其中：A_ij，B_lj分别是LED灯j在传感器-执行器i处的照度增益、LED灯j在工作台l处的照度增益，d_i(k)和p_l(k)分别是日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献；Ξ_ij＝1表示传感器-执行器节点i能接收到传感器-执行器节点j的信息，而Ξ_ij＝0表示传感器-执行器节点i接收不到传感器-执行器节点j的信息，Γ_lj＝1表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l 处的信息，Γ_lj＝0表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l处的信息，表示日光在传感器-执行器i处照度贡献到日光在工作台l处照度贡献的匹配增益；

(3.3)、LED亮度分布式调节：

传感器-执行器i按照确定受LED灯i影响最大的工作台m，并根据e_m(k)＝ω_rm-ω_m计算该工作台m处期望照度与实际照度的偏差e_m(k)，按照公式u_i(k)＝Q{u_i(k-1)+α_iΓ_mie_m(k-1)}进行LED灯i亮度输出值u_i(k)的计算，其中Q{.}是为保证亮度输出值介于[0,1]间的函数，定义为：

其中α_i为控制增益，按照进行分布式设计。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明提供了一种开放办公室照明亮度自动控制策略，可用于目前已有的智能化办公室中，实现根据实际需求对智能开放办公室工作台的亮度调整。通过无线传感器网络技术实现照度信息的采集和传输，基于一致性技术获得办公室的平均期望照度，采用最小二乘法进行天花板日光照度到工作台日光照度的映射，基于反馈控制原理实时调节LED灯的PWM输出，实现照度满足要求情况下照明系统最低能量消耗的目标。

附图说明

图1为本发明开放办公室传感器-执行器信息交换模型图。

图2为本发明仿真分析中开放办公室照明控制系统框架图。

图3为本发明仿真分析中照明控制系统通信拓扑图。

图4为本发明仿真分析中期望照度误差迭代曲线图。

图5为本发明仿真分析中照明能耗对比曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种开放办公室分布式照明控制方法，开放办公室包括有：

N个布置在天花板上的亮度可调节的LED灯，和M个位于距离地面0.8m 高的水平平面上的工作台

分别布置在M个工作台上用以设定工作台期望照度的智能设备，每个工作台设定的期望照度由智能设备以无线形式广播出去；

N个布置在天花板上的传感器-执行器节点，用以一一对应检测LED灯照度，基于期望照度和实际照度间的偏差分布式调整N个灯具的亮度水平，且每个LED 灯基于占空比机制进行0％—100％亮度的控制调节；

本发明包括以下步骤：

(1)、图论表示：

用图来表征各个传感器-执行器节点构成的分布式网络中节点间的通信关系，其中V＝{1,2,...,N}为节点集合，N表示节点数目；

用边集表示N个节点间通信关系，若节点i接收到节点j的信息，则{i,j}∈E(i,j∈V,i≠j)，反之且假定网络中不存在自连接，即若{i,j}∈E，则节点j为节点i的输入邻居节点；

定义N_i＝{j|(i,j)∈E,i≠j}表示节点i的输入邻居节点集，d_i＝|N_i|表示节点i的入度。

(2)、基于平均一致性理论计算获取开放办公室期望照度：

记ω_rl为工作台l的期望照度设定值，其中l＝1,2,...,M)，ω_rl由位于工作台上的无线智能设备进行设置，在设置完成后以无线形式广播给传感器-执行器节点；位于天花板上的传感器-执行器i接收通信范围内工作台发来的期望照度设定值ω_rq(q＝1,2,...,M,q∈N_ri)，根据公式进行办公室期望照度初值ω_ri(0)的获取，通过与相邻传感器-执行器j(j∈N_i)间的信息交换，并基于公式进行ω_ri(k)的迭代，其中k∈Z为迭代次数，μ>0为分布式控制增益,W_ij为传感器-执行器节点j与i间的连接权重；

将N个传感器-执行器间的通信关系用网络G来表征，记对角阵为网络G的入度矩阵，W＝{W_ij}为网络G的连接权重矩阵，则网络G的拉普拉斯矩阵为L＝D_in-W，分别按照公式：

以及公式：

进行W_ij和μ设计，其中d_i为传感器-执行器节点i的输入邻居节点数，λ_i(L)为矩阵L的第i个特征值；

(3)、基于期望照度和实际照度间的偏差进行LED灯亮度的分布式调整，包括以下步骤：

(3.1)、日光匹配矩阵C^LS估计：

记d_i和p_l分别为日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献，d和p 分别为日光在传感器-执行器和工作台处的照度贡献向量，其中照度贡献向量d 由N个传感器-执行器测量得到；

在系统训练阶段，关闭所有的LED灯，在M个工作台上布置M个照度传感器用以检测日光在工作台出的照度贡献p，测量r组数据以得到样本矩阵 P＝[p₁,p₂,...,p_r]和D＝[d₁,d₂,...,d_r]，r>>M,r>>N，基于最小二乘法进行d到p 的日光匹配矩阵C^LS∈R^M×N的估计，具体为：

如此，在照明控制系统中，根据日光在传感器-执行器处的照度贡献d估计出日光在工作台处的照度贡献p，具体为p＝C^LSd。

(3.2)、工作台实时照度计算：

分别记y_i、u_i和ω_l为传感器-执行器i检测的实际照度、LED灯i的亮度输出和工作台l的实际照度，传感器-执行器i按照公式：

估计工作台l的实际照度，其中：A_ij，B_lj分别是LED灯j在传感器-执行器i处的照度增益、LED灯j在工作台l处的照度增益，d_i(k)和p_l(k)分别是日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献；Ξ_ij＝1表示传感器-执行器节点i能接收到传感器-执行器节点j的信息，而Ξ_ij＝0表示传感器-执行器节点i接收不到传感器-执行器节点j的信息，Γ_lj＝1表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l 处的信息，Γ_lj＝0表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l处的信息，表示日光在传感器-执行器i处照度贡献到日光在工作台l处照度贡献的匹配增益；

(3.3)、LED亮度分布式调节：

传感器-执行器i按照确定受LED灯i影响最大的工作台m，并根据e_m(k)＝ω_rm-ω_m计算该工作台m处期望照度与实际照度的偏差e_m(k)，按照公式u_i(k)＝Q{u_i(k-1)+α_iΓ_mie_m(k-1)}进行LED灯i亮度输出值u_i(k)的计算，其中Q{.}是为保证亮度输出值介于[0,1]间的函数，定义为：

其中α_i为控制增益，按照进行分布式设计。

仿真结果与分析

为说明本发明所提分布式照明控制方法的有效性，在DIALux平台和Matlab 平台进行算法的仿真验证。在一30×15×2.8(m³)的开放办公室中布置照明系统如图2所示，其中M＝28，N＝80；在设定无线通信半径为6m情况下得到通信拓扑图如图3所示，传感器-执行器i(i＝1,...,N)处办公室期望照度的误差ω_ei(k)迭代曲线如图4所示，与其它两种方法的照明能耗对比曲线如图5所示。从图3和图 4可以看出，本发明所提办公室平均照度估计方法是有效的，且在平均照度估计算法迭代50次后，期望照度误差即都能小于10^-10lux；从图5可以看出，相比于照度不控制系统以及照度参考控制方法，本发明所提方法具有最低能耗，且照明能耗能考虑到日光照度的影响。

Claims (1)

1.一种开放办公室分布式照明控制方法，所述的开放办公室包括有：

N个布置在天花板上的亮度可调节的LED灯；

分别布置在M个工作台上用以设定工作台期望照度的智能设备，每个工作台设定的期望照度由智能设备以无线形式广播出去；

N个传感器-执行器节点，用以一一对应检测LED灯照度和控制调节LED灯亮度，且每个LED灯基于占空比机制进行0％—100％亮度的控制调节；

其特征在于：包括以下步骤：

(1)、图论表示：

用图来表征各个传感器-执行器节点构成的分布式网络中节点间的通信关系，其中V＝{1,2,...,N}为节点集合，N表示节点数目；

用边集表示N个节点间通信关系，若节点i接收到节点j的信息，则{i,j}∈E(i,j∈V,i≠j)，反之且假定网络中不存在自连接，即若{i,j}∈E，则节点j为节点i的输入邻居节点；

定义N_i＝{j|(i,j)∈E,i≠j}表示节点i的输入邻居节点集，d_i＝|N_i|表示节点i的入度。

(2)、基于平均一致性理论计算获取开放办公室期望照度：

记ω_rl为工作台l的期望照度设定值，其中l＝1,2,...,M)，ω_rl由位于工作台上的无线智能设备进行设置，在设置完成后以无线形式广播给传感器-执行器节点；位于天花板上的传感器-执行器i接收通信范围内工作台发来的期望照度设定值ω_rq(q＝1,2,...,M,q∈N_ri)，根据公式进行办公室期望照度初值ω_ri(0)的获取，通过与相邻传感器-执行器j(j∈N_i)间的信息交换，并基于公式进行ω_ri(k)的迭代，其中k∈Z为迭代次数，μ>0为分布式控制增益,Wi_j为传感器-执行器节点j与i间的连接权重；

将N个传感器-执行器间的通信关系用网络G来表征，记对角阵为网络G的入度矩阵，W＝{W_ij}为网络G的连接权重矩阵，则网络G的拉普拉斯矩阵为L＝D_in-W，分别按照公式：

以及公式：

进行W_ij和μ设计，其中d_i为传感器-执行器节点i的输入邻居节点数，λ_i(L)为矩阵L的第i个特征值；

(3)、基于期望照度和实际照度间的偏差进行LED灯亮度的分布式调整，包括以下步骤：

(3.1)、日光匹配矩阵C^LS估计：

记d_i和p_l分别为日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献，d和p分别为日光在传感器-执行器和工作台处的照度贡献向量，其中照度贡献向量d由N个传感器-执行器测量得到；

在系统训练阶段，关闭所有的LED灯，在M个工作台上布置M个照度传感器用以检测日光在工作台出的照度贡献p，测量r组数据以得到样本矩阵P＝[p₁,p₂,...,p_r]和D＝[d₁,d₂,...,d_r]，r>>M,r>>N，基于最小二乘法进行d到p的日光匹配矩阵C^LS∈R^M×N的估计，具体为：

如此，在照明控制系统中，根据日光在传感器-执行器处的照度贡献d估计出日光在工作台处的照度贡献p，具体为p＝C^LSd；

(3.2)、工作台实时照度计算：

分别记y_i、u_i和ω_l为传感器-执行器i检测的实际照度、LED灯i的亮度输出和工作台l的实际照度，传感器-执行器i按照公式：

估计工作台l的实际照度，其中：A_ij，B_lj分别是LED灯j在传感器-执行器i处的照度增益、LED灯j在工作台l处的照度增益，d_i(k)和p_l(k)分别是日光在传感器-执行器i处、工作台l处的照度贡献；Ξ_ij＝1表示传感器-执行器节点i能接收到传感器-执行器节点j的信息，而Ξ_ij＝0表示传感器-执行器节点i接收不到传感器-执行器节点j的信息，Γ_lj＝1表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l处的信息，Γ_lj＝0表示传感器-执行器节点j能接收到工作台l处的信息，表示日光在传感器-执行器i处照度贡献到日光在工作台l处照度贡献的匹配增益；

(3.3)、LED亮度分布式调节：

传感器-执行器i按照确定受LED灯i影响最大的工作台m，并根据e_m(k)＝ω_rm-ω_m计算该工作台m处期望照度与实际照度的偏差e_m(k)，按照公式u_i(k)＝Q{u_i(k-1)+α_iΓ_mie_m(k-1)}进行LED灯i亮度输出值u_i(k)的计算，其中Q{.}是为保证亮度输出值介于[0,1]间的函数，定义为：

其中α_i为控制增益，按照进行分布式设计。