CN109253531A - 空调及照明节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了空调及照明节能控制系统，包括环境调节模块，该环境调节模块包括多个空调设备以及照明设备，所述系统还包括通信连接的环境监测模块和节能控制模块，环境监测模块用于采集环境数据，并将采集的环境数据发送至节能控制模块；所述的节能控制模块包括存储器、用于将环境数据与对应预设环境阈值进行比较的微处理器、用于控制环境调节模块工作的控制器，所述存储器、控制器皆与所述微处理器连接。

Description

空调及照明节能控制系统

技术领域

本发明涉及节能技术领域，具体涉及空调及照明节能控制系统。

背景技术

随着人们的生活水平的提高，人们对居住环境的舒适性要求越来越高，特别是一些高档别墅，配备恒温恒湿系统对室内的温度以及湿度进行智能调节，为使恒温恒湿系统达到最佳效果，需要减少室外环境对室内温湿度的影响。然而，以普通写字楼办公室为例，建筑室内环境普遍都还是采取人为开、关控制及调节操作模式，虽然有些已经采取了一些建筑节能措施，如中央空调系统、节能灯等，但通常情况下，早上上班时开启所有空调设备、暖通设备及灯光照明设备，直至晚上下班时才关闭，中间使用过程很少去根据建筑室内环境状况的实际变化情况来调控这些设备，容易导致节能省电效率不高的结果。综上所述，现有技术中，存在室内温湿度和光照度不能根据环境状况的实际变化情况来调控，导致节能省电效率低的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供空调及照明节能控制系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了空调及照明节能控制系统，包括环境调节模块，该环境调节模块包括多个空调设备以及照明设备，所述系统还包括通信连接的环境监测模块和节能控制模块，环境监测模块用于采集环境数据，并将采集的环境数据发送至节能控制模块；所述的节能控制模块包括存储器、用于将环境数据与对应预设环境阈值进行比较的微处理器、用于控制环境调节模块工作的控制器，所述存储器、控制器皆与所述微处理器连接；所述环境监测模块包括由汇聚节点和多个传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点主要用于采集所监测位置的环境数据，汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的环境数据，并将汇聚的环境数据传送至节能控制模块。

在一种优选实施的方式中，所述微处理器将环境数据与对应预设环境阈值进行比较，求出它们之间的偏差，根据偏差结果生成相应的控制指令，并将该控制指令传送至所述控制器，进而所述控制器根据接收的控制指令控制环境调节模块工作。

在一种优选实施的方式中，所述控制器包括第一控制单元、第二控制单元，其中第一控制单元、第二控制单元的输入端皆与所述微处理器连接，第一控制单元的输出端与多个所述空调设备通信连接，第二控制单元的输出端与多个所述照明设备通信连接。

在一种优选实施的方式中，传感器节点包括采集单元、分析处理单元以及通信单元；采集单元由传感器与模数转换器完成，分析处理单元由微处理器与存储器完成，通信单元由无线收发器完成；所述传感器包括光传感器和温度传感器。

本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术进行环境数据采集，避免了布线的麻烦，智能快捷；通过对采集到的环境数据进行分析处理，根据环境数据控制环境调节模块的运行，实现对空调及照明的节能控制，实用性强。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的空调及照明节能控制系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的节能控制模块的结构示意框图。

附图标记：

环境调节模块1、环境监测模块2、节能控制模块3、存储器10、微处理器20、控制器30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明一个示例性实施例的空调及照明节能控制系统的结构示意框图。参见图1，本实施例提供的空调及照明节能控制系统包括环境调节模块1、环境监测模块2和节能控制模块3，其中环境监测模块2和节能控制模块3通信连接。该环境调节模块1包括多个空调设备以及照明设备。

其中，环境监测模块2用于采集环境数据，并将采集的环境数据发送至节能控制模块3；所述环境监测模块2包括由汇聚节点和多个传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点主要用于采集所监测位置的环境数据，汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的环境数据，并将汇聚的环境数据传送至节能控制模块3。

在一个实施例中，传感器节点包括采集单元、分析处理单元以及通信单元；采集单元由传感器与模数转换器完成，分析处理单元由微处理器与存储器10完成，通信单元由无线收发器完成；所述传感器包括光传感器和温度传感器。

图2示出了本发明一个示例性实施例的节能控制模块的结构示意框图。如图2所示，所述的节能控制模块3包括存储器10、用于将环境数据与对应预设环境阈值进行比较的微处理器20、用于控制环境调节模块1工作的控制器30，所述存储器10、控制器30皆与所述微处理器20连接。

在一种优选实施的方式中，所述微处理器20将环境数据与对应预设环境阈值进行比较，求出它们之间的偏差，根据偏差结果生成相应的控制指令，并将该控制指令传送至所述控制器30，进而所述控制器30根据接收的控制指令控制环境调节模块1工作。

例如，设置环境阈值为：温度为19℃-24℃、光照强度为500Lux-600Lux。当采集的环境数据中的某个位置的温度数据低于19℃时，所述微处理器20根据计算得到的温度偏差生成控制指令，此时控制指令包括控制与所述某个位置对应的空调设备开启制热模式、相应的开启时间，微处理器20将控制指令发送至控制器30，进而控制器30根据控制指令控制该对应的空调设备工作。而当采集的环境数据中的某个位置的温度数据高于24℃时，所述微处理器20根据计算得到的温度偏差生成控制指令，此时控制指令包括控制与所述某个位置对应的空调设备开启制冷模式、相应的开启时间。

又例如，当采集的环境数据中的某个位置的光照强度低于500Lux时，所述微处理器20根据计算得到的光照强度偏差生成控制指令，此时控制指令包括控制与所述某个位置对应的照明设备开启、相应的开启时间。当采集的环境数据中的某个位置的光照强度高于600Lux时，所述微处理器20根据计算得到的光照强度偏差生成控制指令，此时控制指令包括控制与所述某个位置对应的照明设备关闭。

在一种实施方式中，所述的环境调节模块1还可包括电动窗帘，从而当采集的环境数据中的某个位置的光照强度高于600Lux时，微处理器20生成启动与所述某个位置对应的电动窗帘运行的指令。在其他实施方式中，所述的环境调节模块1还可包括其他用于温度和/或光照强度的调节设备。

在一种优选实施的方式中，所述控制器30包括第一控制单元、第二控制单元，其中第一控制单元、第二控制单元的输入端皆与所述微处理器20连接，第一控制单元的输出端与多个所述空调设备通信连接，第二控制单元的输出端与多个所述照明设备通信连接。进而，控制与所述某个位置对应的空调设备开启制冷模式的控制指令将直接发送至第一控制单元，而控制与所述某个位置对应的照明设备关闭的控制指令将直接发送至第二控制单元。

本发明上述实施例利用无线传感器网络技术进行环境数据采集，避免了布线的麻烦，智能快捷；通过对采集到的环境数据进行分析处理，根据环境数据控制环境调节模块1的运行，实现对空调及照明的节能控制，实用性强。

在一种能够实现的方式中，对无线传感器网络进行初始化，根据无线传感器网络路由算法将传感器节点分簇为多个簇区，其中每个簇区包括一个簇头，簇头用于收集簇区内各传感器节点采集的环境数据，并将收集的环境数据传送至汇聚节点。

其中，对无线传感器网络进行初始化，包括：在设定的环境监测区域内随机布置传感器节点，各传感器节点通过信息交互获取邻居节点的相关信息，所述的相关信息包括邻居节点的ID号以及位置信息；所述的邻居节点为位于传感器节点的通信范围内的其余传感器节点。

在一个实施例中，每个传感器节点具有相同的通信范围；根据无线传感器网络分簇路由算法将传感器节点分簇为多个簇区，包括：

(1)汇聚节点向网络各传感器节点发送分簇指令，所述分簇指令包括状态值阈值Φ_m，其中Φ_m由下列公式确定：

式中，N为网络中已部署的传感器节点个数，R_c为传感器节点的通信距离，A为所述监测区域的面积，Q_min为预设的成为簇头的最低能量值，Q₁为传感器节点用于通信的每单位时间内的能量消耗，Q₂为传感器节点用于感知和计算的每单位时间内的能耗，Q₁、Q₂的值为固定设定值，b₁、b₂为预设的权重系数；

(2)各传感器节点接收到分簇指令后，按照下列公式计算自己的状态值，若传感器节点的状态值大于状态值阈值Φ_m，则该传感器节点成为备选簇头：

式中，Φ_i为传感器节点i的状态值，K_i为传感器节点i的邻居节点个数，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量；

(3)成为备选簇头的传感器节点向邻居节点广播簇头竞选消息，并启动计时器；若备选簇头在计时器结束前接收到其余备选簇头广播的簇头竞选消息，比较状态值，状态值最大的备选簇头当选为簇头，其余状态值较小的备选簇头退出簇头竞选；若备选簇头在计时器结束前未接收到其余备选簇头广播的簇头竞选消息，则当选为簇头；

(4)未当选簇头的传感器节点作为成员节点，并加入到距离最近的簇头，进而完成分簇。

本实施例提供了一种新的无线传感器网络分簇路由算法，该算法基于传感器节点的状态值与状态值阈值的比较结果来确定备选簇头。其中，由汇聚节点根据传感器节点的基本情况来确定合理的状态值阈值。由设定的状态值的计算公式可知，若传感器节点的当前剩余能量越大、周边聚集的传感器节点数量越多，则该传感器节点的状态值越大，从而具有更大的概率成为备选簇头。本实施例使得当选的簇头能够满足必要的节点密度条件以及维持较长生命周期的条件，相对于传统的LEACH分簇路由算法，更能够适应传感器节点的部署情况，保障分簇的稳定性，以及避免生成无谓的簇头而产生不必要的能量消耗。本实施例能够节省空调及照明节能控制系统在数据采集方面的能量成本。

在一个实施例中，簇头对簇区内的各传感器节点进行依次冗余检测，对检测出的冗余节点进行休眠，包括：

(1)簇头根据距离由近到远的顺序对簇区内各传感器节点进行排序，构建成员节点列表，设成员节点列表中的传感器节点数量为K，并初始化参数k＝1；

(2)簇头对成员节点列表中的第k个传感器节点进行冗余检测，若第k个传感器节点满足下列冗余判定公式，则令该第k个传感器节点进入休眠状态，否则对该第k个传感器节点不作处理，执行(3)：

式中，S_k为所述第k个传感器节点的感知区域，k≠j；V₀为所述成员节点列表中的传感器节点集合，V为所述成员节点列表中已休眠的传感器节点集合，(V₀-V)表示所述成员节点列表中除去所述第k个传感器节点外的未休眠传感器节点集合；S_j为所述未休眠传感器节点集合中的第j个传感器节点的感知区域；

(3)令k＝k+1，执行(2)，直至k＝K。

本实施例中，簇头对簇区内的各传感器节点进行依次冗余检测，对检测出的冗余节点进行休眠，有利于提高簇区内传感器节点分布均匀性，在满足簇区内覆盖率要求的前提下尽量降低簇区内处于工作状态的传感器节点数量，从而降低簇区内的传感器节点能耗。本实施例创新性地给出了冗余检测的方法，其中设定了冗余判定公式。簇头根据距离由近到远的顺序依次对传感器节点进行冗余检测，能够避免已休眠的传感器节点对后续冗余节点的判定产生影响，从而进一步提高了冗余检测的精度；由于先对离簇头较近的冗余节点进行休眠，有利于避免较多传感器节点聚集在簇头附近，以进一步提高簇区内传感器节点的覆盖质量，从而更好地对要监测的环境区域进行感知，为后续空调及照明的节能控制奠定数据基础。

在一个实施例中，汇聚节点对各簇头定期进行异常检测，并向检测出的异常簇头发送更新指令；接收到该更新指令的簇头在其簇区内选择一个传感器节点作为该簇区的新簇头，自己则从簇头角色转换为该簇区的成员节点角色。其中，汇聚节点对各簇头进行异常检测，具体为：统计上一个设定周期内接收到的各簇头的数据包数量，根据该数据包数量得到各个簇头的数据传递次数，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头标记为异常簇头。

其中，接收到该更新指令的簇头在其簇区内选择一个传感器节点作为该簇区的新簇头，包括：

(1)计算簇区内各传感器节点的权值：

式中，W_i表示簇区内第i个传感器节点的权值，Φ_i为所述第i个传感器节点的状态值，为预设的更新次数阈值，为所述第i个传感器节点到目前为止担任簇头的次数；

(2)选择权值最大的传感器节点作为该簇区的新簇头。

本实施例对数据传输较为高频的簇头进行更新，有利于延长无线传感器网络的整体工作寿命，提高环境数据传输效率和监测效果；在选择新簇头时，对簇区内各传感器节点进行权值计算，并选择权值最大的传感器节点作为该簇区的新簇头，有利于保障新簇头也能够满足必要的节点密度条件以及维持较长生命周期的条件，并且能够避免同一个传感器节点始终担任簇头，有利于均衡簇区内各传感器节点的能耗，延长环境数据采集的工作周期。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.空调及照明节能控制系统，包括环境调节模块，该环境调节模块包括多个空调设备以及照明设备，其特征是，所述系统还包括通信连接的环境监测模块和节能控制模块，环境监测模块用于采集环境数据，并将采集的环境数据发送至节能控制模块；所述的节能控制模块包括存储器、用于将环境数据与对应预设环境阈值进行比较的微处理器、用于控制环境调节模块工作的控制器，所述存储器、控制器皆与所述微处理器连接；所述环境监测模块包括由汇聚节点和多个传感器节点构建的无线传感器网络，传感器节点主要用于采集所监测位置的环境数据，汇聚节点主要用于汇聚各传感器节点采集的环境数据，并将汇聚的环境数据传送至节能控制模块。

2.根据权利要求1所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，所述微处理器将环境数据与对应预设环境阈值进行比较，求出它们之间的偏差，根据偏差结果生成相应的控制指令，并将该控制指令传送至所述控制器，进而所述控制器根据接收的控制指令控制环境调节模块工作。

3.根据权利要求2所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，所述控制器包括第一控制单元、第二控制单元，其中第一控制单元、第二控制单元的输入端皆与所述微处理器连接，第一控制单元的输出端与多个所述空调设备通信连接，第二控制单元的输出端与多个所述照明设备通信连接。

4.根据权利要求1所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，传感器节点包括采集单元、分析处理单元以及通信单元；采集单元由传感器与模数转换器完成，分析处理单元由微处理器与存储器完成，通信单元由无线收发器完成；所述传感器包括光传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，对无线传感器网络进行初始化，根据无线传感器网络路由算法将传感器节点分簇为多个簇区，其中每个簇区包括一个簇头，簇头用于收集簇区内各传感器节点采集的环境数据，并将收集的环境数据传送至汇聚节点。

6.根据权利要求5所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，每个传感器节点具有相同的通信范围；根据无线传感器网络分簇路由算法将传感器节点分簇为多个簇区，包括：

(1)汇聚节点向网络各传感器节点发送分簇指令，所述分簇指令包括状态值阈值Φ_m，其中Φ_m由下列公式确定：

式中，N为网络中已部署的传感器节点个数，R_c为传感器节点的通信距离，A为所述监测区域的面积，Q_min为预设的成为簇头的最低能量值，Q₁为传感器节点用于通信的每单位时间内的能量消耗，Q₂为传感器节点用于感知和计算的每单位时间内的能耗，Q₁、Q₂的值为固定设定值，b₁、b₂为预设的权重系数；

(2)各传感器节点接收到分簇指令后，按照下列公式计算自己的状态值，若传感器节点的状态值大于状态值阈值Φ_m，则该传感器节点成为备选簇头：

式中，Φ_i为传感器节点i的状态值，K_i为传感器节点i的邻居节点个数，Q_i为传感器节点i的当前剩余能量；

(3)成为备选簇头的传感器节点向邻居节点广播簇头竞选消息，并启动计时器；若备选簇头在计时器结束前接收到其余备选簇头广播的簇头竞选消息，比较状态值，状态值最大的备选簇头当选为簇头，其余状态值较小的备选簇头退出簇头竞选；若备选簇头在计时器结束前未接收到其余备选簇头广播的簇头竞选消息，则当选为簇头；

(4)未当选簇头的传感器节点作为成员节点，并加入到距离最近的簇头，进而完成分簇。

7.根据权利要求5所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，簇头对簇区内的各传感器节点进行依次冗余检测，对检测出的冗余节点进行休眠，包括：

(1)簇头根据距离由近到远的顺序对簇区内各传感器节点进行排序，构建成员节点列表，设成员节点列表中的传感器节点数量为K，并初始化参数k＝1；

(2)簇头对成员节点列表中的第k个传感器节点进行冗余检测，若第k个传感器节点满足下列冗余判定公式，则令该第k个传感器节点进入休眠状态，否则对该第k个传感器节点不作处理，执行(3)：

式中，S_k为所述第k个传感器节点的感知区域，k≠j；V₀为所述成员节点列表中的传感器节点集合，V为所述成员节点列表中已休眠的传感器节点集合，(V₀-V)表示所述成员节点列表中除去所述第k个传感器节点外的未休眠传感器节点集合；S_j为所述未休眠传感器节点集合中的第j个传感器节点的感知区域；

(3)令k＝k+1，执行(2)，直至k＝K。

8.根据权利要求6所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，汇聚节点对各簇头定期进行异常检测，并向检测出的异常簇头发送更新指令；接收到该更新指令的簇头在其簇区内选择一个传感器节点作为该簇区的新簇头，自己则从簇头角色转换为该簇区的成员节点角色。

9.根据权利要求8所述的空调及照明节能控制系统，其特征是，汇聚节点对各簇头进行异常检测，具体为：统计上一个设定周期内接收到的各簇头的数据包数量，根据该数据包数量得到各个簇头的数据传递次数，将数据传递次数大于或等于高频阈值的簇头标记为异常簇头。