CN114364084B

CN114364084B - 基于云端的led照明节能系统以及节能方法

Info

Publication number: CN114364084B
Application number: CN202210262693.6A
Authority: CN
Inventors: 董伟杰; 郭启麟
Original assignee: Hangzhou Yaguan Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yaguan Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2042-03-17
Also published as: CN114364084A

Abstract

基于云端的LED照明节能系统以及节能方法，属于照明控制技术领域，包括家用照明设备、电源分配器、云整合端、环境光感测装置；本方案，可将环境光感测装置所收集的资料上传云整合端，经云整合端判定后，再下达给电源分配器进行电力控制，实现物联网双向传输架构，同时，以MQTT传输协议来对应实时且低频宽的传输需求。家用照明设备采用LED灯具，以波宽调制为数位调光方案，如此达到调节电力省能目的。本方案，以PWM调光百分比，控制LED灯的照明亮度，实现LED灯的亮度的等比增减，调整过程中亮度平滑。

Description

基于云端的LED照明节能系统以及节能方法

技术领域

本发明属于照明控制技术领域，具体涉及基于云端的LED照明节能系统以及节能方法。

背景技术

传统的家用照明设备，缺乏用电调度规划。在节能减排的目标之下，对家用照明设备进行智能化管理已经成为趋势，通过智能化管理对家用照明设备实施电力调节，使其降低能耗。但是，若对现有的家用照明设备进行改造，存在以下问题：

现有的家用照明设备，基本上都是基于单点控制的回路设计，难以实现照明设备的整体联动，也没有发挥物联网的技术优势和特点，难以做到精细化管理。

HEMS（家庭能源管理系统）是一项可以在提高用电效率并为节电和减少环境负荷做贡献的同时，还可以提高生活舒适度和生活质量的技术，其在家用设备上加装电量感测装置及控制模块，经由家用能源管理网关及智慧电表将资料连结云端作整合服务。

因此，鉴于HEMS的优点和成熟性，将HEMS技术整合其它技术（物联感测技术、电源分配技术以及云端布控技术），通过物联感测装置，将收集到的家用照明设备的相关资料经过云端整合后下达指令给电源分配装置，从而对家用照明设备进行电力控制，实现微型的HEMS架构，来达到节能减排的目的。

同时，对于家用照明设备的控制，不仅希望其能自动调节光线强度，还希望其能根据场景切换光线类型，显示为冷色或者暖色，提升照明的智能化程度，从而提高用户体验的舒适度。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供基于云端的LED照明节能系统。

本发明的另一目的在于提供基于云端的LED照明节能方法。

为了达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案。

基于云端的LED照明节能系统，包括家用照明设备、电源分配器、云整合端、环境光感测装置；

家用照明设备：采用混光LED灯，使用红光LED、蓝光LED和绿光LED作为光源，内设红光灯管、蓝光灯管和绿光灯管；采用PWM的电力调节方式，并采用具备功率因子校正的LED电源供应器；

电源分配器，开启或关闭家用照明设备，读取家用照明设备的电力资料，并将电力信息上传至云整合端；其内设有Raspberry Pi 3电路板；

Raspberry Pi 3电路板安装有GPIO模块；Raspberry Pi 3电路板，连接有环境光感测装置和交流计量表，一方面，接收来自环境光感测装置的环境光的颜色和亮度信息，并将其与云整合端的每种环境光颜色的期望区间值比较后，确定每种环境光颜色的亮度与云整合端的每种环境光颜色的期望区间值之间的差异值，另一方面，接收交流计量表测量的电力信息；然后，Raspberry Pi 3电路板将接收的信息，上传至云整合端，然后根据云整合端的下载信息产生PWM输出，分别控制家用照明设备的红光灯管、蓝光灯管和绿光灯管的光强度，从而实现环境光的动态补偿；

云整合端，运行有MQTT broker；根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景，执行和推导照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器，来调整家用照明设备的实际亮度，实现对家用照明设备的自动调光；

环境光感测装置：连接有云整合端，收集环境光的红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，并将这些信息上传至云整合端。

进一步，电源分配器，还内设有：

电子开关控制板：连接有Raspberry Pi 3电路板，独立读取各插座通道的电力信息，并将电力信息上传至云整合端；

交流计量表：内置TTL通讯协议，与Raspberry Pi 3电路板通信，读出实时电压、电流、功率和累积电量的电力信息；

设备开关：内设固态继电器模组和PWM控制模块；设备开关连接有Raspberry Pi 3电路板，让云整合端控制其开或关的动作；设备开关连接有插座通道以及输入通道；插座通道连接家用照明设备。

基于云端的LED照明节能方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据用户设定或者系统场景默认的模式初始值，在云整合端设定每个场景的红光、绿光和蓝光三个色彩亮度的期望区间值｛P_min，P_max｝以及变量k；P_min为该场景下，红光、绿光或蓝光的期望区间值的最小亮度值；P_max为该场景下，红光、绿光或蓝光的期望区间值的最大亮度值；变量k为统每次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比的初始值；

步骤S2，环境光感测装置，定期轮询一次，检测环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t；

步骤S3，云整合，根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景，执行和推导照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器的Raspberry Pi 3电路板，Raspberry Pi 3电路板调整家用照明设备的实际亮度；

步骤S4，交流计量表读取家用照明设备的实时电压、电流、功率和累积电量的电力信息，并通过Raspberry Pi 3电路板上传至云整合端。

4.根据权利要求3所述的基于云端的LED照明节能方法，其特征在于，步骤S3中：当每种环境光颜色的亮度的量测值未达到云整合端的该种环境光颜色的期望区间值时，调高PWM信号周期的高电位比例，使光强度增亮；

当每种环境光颜色的亮度的量测值超出云整合端的该种环境光颜色的期望区间值时，调低PWM信号周期的高电位比例，使光强度变暗或关闭；

当每种环境光颜色的亮度的量测值达到云整合端的该种环境光颜色的期望区间值内，维持PWM信号周期的原高电位比例；

步骤S3中：将环境光感测装置安装于屋顶或吊顶下方固定间距处；此时，环境光感测装置感测的照明空间是二维空间；将环境光感测装置感测的照明空间划分相等大小的正方形矩阵，从而形成M行、N列的方格，B_m,n是来自m行、n列的环境光感测装置感测的平均亮度；

云整合端，执行和推导照明亮度的PWM值时，产生6种状态：

令

是m行、n列照明空间所对应的家用照明设备的前次PWM调光百分比；b_m,n是m行、n列照明空间所对应的家用照明设备的当前PWM调光百分比；Δd^t-1是系统前次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比；Δd是系统本次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比；则

；

状态1：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1≥0，则Δd=Δd^t-1；

状态2：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1＜0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态3：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1≤0，则Δd=Δd^t-1；

状态4：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1＞0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态5：如果P_min＜B_m,n＜P_max或者Δd≤1，则

；

状态6：如果B_m,n＜P_min－30%且Δd的绝对值小于1，则Δd=k；或者，B_m,n＞P_max＋30%且Δd的绝对值小于1，则Δd=－k。

令期望中值P=（P_min+P_max）/2，则：

当P－B_m,n≤30%，则k=10；

当30%＜P－B_m,n≤60%，则k=50；

当60%＜P－B_m,n，则k=25。

本方案，每个光源独立设计，并以云整合端调节电力，根据使用者的需求适时调整，从而达到减少电力浪费的目的。

本方案，以PWM调光百分比（替代传统的PWM占空比的等比增减），控制LED灯的照明亮度，实现LED灯的亮度的等比增减，调整过程中亮度平滑。

本系统具有自我调适的反馈机制，可与环境光动态互补调节电力，与传统照明系统比较实际减能51%。本方案可做为发展家庭能源管理系统(HEMS)的照明基础系统，不但减少照明设备对能源的依赖，更能直接降低家庭电力费用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的方法示意图；

图3是平均亮度反馈原理图；

图4是云整合端的推导状态图；

图5是实例的云端调光处理程序图；

图6是消耗功率与日照比较图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

基于云端的LED照明节能系统，如图1所示，包括家用照明设备、电源分配器、云整合端、环境光感测装置。

家用照明设备，采用混光LED灯，使用红光LED、蓝光LED和绿光LED作为光源，内设红光灯管、蓝光灯管和绿光灯管。LED灯是用于将电能转化为光能的能源装置。与电灯泡相比，LED具有高转换效率、低耗电量和更长的寿命。家用照明设备，采用PWM的电力调节方式，并采用具备功率因子校正(Power Factor Correction，PFC)的LED电源供应器，能精准调光且适用RGB控制。PWM（Pulse Width Mod-ulation，脉宽调制）是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

电源分配器，开启或关闭家用照明设备，读取家用照明设备的电力资料，并将电力信息上传至云整合端，其包括以下组件:

电子开关控制板：连接有Raspberry Pi 3电路板，独立读取各插座通道的电力信息，并将电力信息上传至云整合端。

Raspberry Pi 3电路板：安装有GPIO模块。Raspberry Pi 3电路板，连接有环境光感测装置和交流计量表，一方面，接收来自环境光感测装置的环境光的颜色和亮度信息，并将其与云整合端的每种环境光颜色的期望区间值比较后，确定每种环境光颜色的亮度与云整合端的每种环境光颜色的期望区间值之间的差异值，另一方面，接收交流计量表测量的电力信息；然后，Raspberry Pi 3电路板将接收的信息，上传至云整合端，然后根据云整合端的下载信息产生PWM输出，分别控制家用照明设备的红光灯管、蓝光灯管和绿光灯管的光强度，从而实现环境光的动态补偿。

交流计量表：采用由Peacefair公司在售的PZEM-004T型的交流计量表，内置TTL通讯协议，经USB转接版(TTL to RS232)与Raspberry Pi 3电路板通信，读出实时电压、电流、功率和累积电量的电力信息。

设备开关：内设固态继电器模组和PWM控制模块。本方案使用固态继电器，替换传统的手动开关。设备开关连接有Raspberry Pi 3电路板，让云整合端控制其开或关的动作。设备开关连接有插座通道（CH1、CH2、...CHn）以及输入通道（AC IN）；插座通道连接家用照明设备。

云整合端，运行有MQTT broker；根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景（例如，阅读、观赏、睡眠、及运动健身），推导和执行照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器的Raspberry Pi 3电路板，来调整家用照明设备的实际亮度，实现对家用照明设备的自动调光。MQTT broker，属于物联网的网络层，负责接收发布（Publisher）的消息，并发送给相应的订阅（Subscriber），是整个MQTT 订阅/发布的核心，其特点为当家用照明设备要传送资料时，不需一一指定终端位址连线后再传送，只要发布到MQTT Broker主题内，有订阅相同主题就能接收。

环境光感测装置：连接有云整合端，收集环境光的红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，并将这些信息上传至云整合端。环境光感测装置采用BH1745NUC型的亮度和颜色感知器，其由ROHM公司生产且具有16位元数位色彩感测IC，可将检测光色成分(RGB)变换为数位资料。

LED灯的光响应速度非常快，利用PWM技术很容易控制LED灯的照明亮度，颜色，形状和照明模式。然而，在一些特殊应用场域如照片/电影工作室和影音视觉系统，需要亮度平滑且细微的调整，而正常的PWM技术却不适合。因为一般的PWM技术皆以高电平或低电平在PWM的占空比为调光比例，虽然PWM占空比可以等比增减，但因为LED灯的亮度特性非等比，这样的结果会造成亮度非等比增减而非实际亮度等比例控制，调整过程中忽明忽暗不易调整到目标亮度。

基于云端的LED照明节能方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1，根据用户设定或者系统场景默认的模式初始值，在云整合端设定每个场景的红光、绿光和蓝光三个色彩亮度的期望区间值｛P_min，P_max｝以及变量k。

P_min为该场景下，红光、绿光或蓝光的期望区间值的最小亮度值；P_max为该场景下，红光、绿光或蓝光的期望区间值的最大亮度值；

变量k为系统每次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比的初始值。

步骤S2，环境光感测装置，定期（每一分钟）轮询一次，检测环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t。

步骤S3，云整合，根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景，推导和执行照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器的Raspberry Pi 3电路板，Raspberry Pi 3电路板调整家用照明设备的实际亮度；

当每种环境光颜色的亮度的量测值未达到云整合端的该种环境光颜色的期望区间值时，调高PWM信号周期的高电位比例，使光强度增亮；

用户可以手动设定云整合端的每种环境光颜色的期望区间值，以适应不同的用户需求。用户可以手动设定PWM信号周期的高电位比例的最大值，从而降低电力负担。

图3是平均亮度反馈原理图，如图3所示。因为家用照明设备通常安装于屋顶或吊顶，此时，发光区域为二维空间，且为了简化模型，将环境光感测装置安装于屋顶或吊顶下方固定间距处（例如0.3米），此时，环境光感测装置感测的照明空间也是二维空间。将环境光感测装置感测的照明空间划分相等大小的正方形矩阵，从而形成M行、N列的方格，B_m,n是来自m行、n列的环境光感测装置感测的平均亮度。

家用照明设备所引起的平均亮度B_l，为

；

外部光源（如日光）所引起的平均亮度B_ext；

照明空间的平均亮度B_t，为B_t=B_l+B_ext；

本方案无法调整B_ext，用户可以手动调节B_ext，例如，打开窗户进入更多的阳光照射。因此，本方案通过调整B_l来调整B_t。

如图4所示，云整合端，推导和执行照明亮度的PWM值时，产生6种状态：

令

是m行、n列照明空间所对应的家用照明设备的前次PWM调光百分比；b_m,n是m行、n列照明空间所对应的家用照明设备的当前PWM调光百分比；Δd^t-1是系统前次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比；Δd是系统本次更新PWM值时的固定增量和减量的PWM调光百分比。则

。

状态1：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1≥0，则Δd=Δd^t-1；

状态2：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1＜0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态3：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1≤0，则Δd=Δd^t-1；

状态4：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1＞0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态5：如果P_min＜B_m,n＜P_max或者Δd≤1，则

；

状态6：如果B_m,n远远小于P_min（例如：B_m,n＜P_min－30%）且Δd的绝对值小于1，则Δd=k；或者，B_m,n远远大于P_max（例如：B_m,n＞P_max＋30%）且Δd的绝对值小于1，则Δd=－k。

k 值为 PWM 增减量∆d的初始值，并使之收敛或重置的重要转换因子，是影响运行成本重要因素。当目前PWM值与目标PWM值差异大时，若k值越大，单次增减量越大，运行次数越少，但一旦超出目标值，反而会增加返回时除二次数，使执行次数变更多因此有必须找出最佳 k 值。

通过实验分析，令期望中值P=（P_min+P_max）/2，则：

当P－B_m,n≤30%，则k=10，此时平均运算成本最低；

当30%＜P－B_m,n≤60%，则k=50，此时平均运算成本最低；

当60%＜P－B_m,n，则k=25，此时平均运算成本最低。

实例：为了简化模型，将选择的家用照明设备为蓝光灯具，在1行、1列的方格组成的二维的照明空间中，B_1,1是平均亮度，b_1,1是当次PWM比例，∆d是需叠代的PWM增减比，P_1,1是期望中值，依实验的蓝光灯具间距在0.3米时其可设定亮度最大为 1000[lx](Bmax)。

图5是实例的云端调光处理程序图；如图5所示，假设使用者偏好蓝光的期望值为最大亮度的60％，即600lx，在P_1,1的加减上下误差2.5％，得到期望区间值｛P_min＝585lx，P_max＝615lx｝。在趋于稳定过过程中，有以下几个阶段：

阶段1~2，B_1,1低于P_min，PWM调光百分比增加一个∆d。此时执行状态1。通常，∆d大于期望区间值的跨度，当增加某一个∆d时，B_1,1从低于P_min到P_max，此时，执行状态4，Δd=-Δd^t-1/2。

阶段3~4，B_1,1高于P_max，PWM调光百分比减少一个∆d。此时执行状态3。通常，∆d大于期望区间值的跨度，当减少某一个∆d时，B_1,1从高于P_max到低于P_min，此时，执行状态2，Δd=-Δd^t-1/2。

重复上述阶段，直到B_1,1落于｛P_min＝585lx，P_max＝615lx｝的区间中，即达到目标亮度，停止调节，执行状态5，维持B_1,1不变。

在这个实例中后，蓝光亮度读值为 597[lx]，与目标亮度 600[lx] 仅误差0.5。然而，传统 PWM 调光系统是以 PWM 百分比为目标值，LED 灯具本身并非线性等比亮度，不但与目标亮度差异大，调光时易产生亮度增减不一甚至产生闪烁，也因此无法兼顾亮度线性调整及能源调节。本方案是直接以目亮度来作为目标，经实际演算后不但可精准调光，也兼顾亮度线性调整与能源调节。

本方案能够整合环境自动调节光照强度，电力调节减能效果显著。总体辐射(Global Radiation) 又称日射量是一个用来度量于单位时间内区域内太阳辐射能量的数值。

图6是消耗功率与日照比较图，如图6所示，早晨午间傍晚分三种情况分析:

早晨(06~10点)：日光升起日射量渐增，灯具消耗功率逐渐下降，达到节能功能。

午间(10~14点):日射量最大，灯具自动关闭，可使节能效果最大化。

傍晚(14~18点):太阳日落日射量渐降，灯具消耗功率依照度回补亮度差，可回复至原照明功能。

本方案，具有以下优点：

1.总电力降能效果大:可与环境光动态互补调节电力，与传统照明系统比较实际减能51%；

2.照明设备更减能:使用耗能低 LED 光源，可分色独立调光且避免不需要该光波长灯具因红蓝绿光固定比例而仍要开启而产生电力浪费。

3.轻量化云端服务系统:使用MQTT传输协议提云端服务，减少人力监控成本。

4.计算效能低：选择以k值50和0%初始启动(灯具需要时才被开启)，容许误差设2.5

(平均运行成本为最低)，让云端运行次数降最低，是为软节能。

5.亮度均一性及精准调光：经过云端服务可精确实现使用者目标亮度并让容许差异小于2.5%，因此矩阵内亮度误差皆<2.5%，达到亮度均一性。

另外，本方案可做为发展家庭能源管理系统(HEMS)的照明基础系统，不但减少照明设备对能源的依赖，更能直接降低家庭电力费用。

本方案，可将环境光感测装置所收集的资料上传云整合端，经云整合端判定后，再下达给电源分配器进行电力控制，实现物联网双向传输架构，同时，以MQTT传输协议来对应实时且低频宽的传输需求。家用照明设备采用LED灯具，以波宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)为数位调光方案，如此达到调节电力省能目的。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.基于云端的LED照明节能系统，其特征在于，包括家用照明设备、电源分配器、云整合端、环境光感测装置；

云整合端，运行有MQTT broker；根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景，推导和执行照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器，来调整家用照明设备的实际亮度，实现对家用照明设备的自动调光；

环境光感测装置：连接有云整合端，收集环境光的红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，并将这些信息上传至云整合端；

所述电源分配器，还内设有：

设备开关：内设固态继电器模组和PWM控制模块；设备开关连接有Raspberry Pi 3电路板，让云整合端控制其开或关的动作；设备开关连接有插座通道以及输入通道；插座通道连接家用照明设备；

将环境光感测装置安装于屋顶或吊顶下方固定间距处；此时，环境光感测装置感测的照明空间是二维空间；将环境光感测装置感测的照明空间划分相等大小的正方形矩阵，从而形成M行、N列的方格，B_m,n是来自m行、n列的环境光感测装置感测的平均亮度；

云整合端，执行和推导照明亮度的PWM值时，产生6种状态：

令

；

状态1：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1≥0，则Δd=Δd^t-1；

状态2：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1＜0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态3：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1≤0，则Δd=Δd^t-1；

状态4：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1＞0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态5：如果P_min＜B_m,n＜P_max或者Δd≤1，则

；

2.应用权利要求1所述基于云端的LED照明节能系统的基于云端的LED照明节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S3，云整合，根据环境光感测装置上传的环境光中红光、绿光和蓝光的平均亮度B_t，基于场景，推导和执行照明亮度的PWM值，经MQTT broker发布到电源分配器的RaspberryPi 3电路板，Raspberry Pi 3电路板调整家用照明设备的实际亮度；

步骤S4，交流计量表读取家用照明设备的实时电压、电流、功率和累积电量的电力信息，并通过Raspberry Pi 3电路板上传至云整合端；

云整合端，执行和推导照明亮度的PWM值时，产生6种状态：

令

；

状态1：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1≥0，则Δd=Δd^t-1；

状态2：如果B_m,n≤P_min且Δd^t-1＜0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态3：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1≤0，则Δd=Δd^t-1；

状态4：如果B_m,n≥P_max且Δd^t-1＞0，则Δd=－Δd^t-1/2；

状态5：如果P_min＜B_m,n＜P_max或者Δd≤1，则

；

3.根据权利要求2所述的基于云端的LED照明节能方法，其特征在于，步骤S3中：当每种环境光颜色的亮度的量测值未达到云整合端的该种环境光颜色的期望区间值时，调高PWM信号周期的高电位比例，使光强度增亮；

当每种环境光颜色的亮度的量测值达到云整合端的该种环境光颜色的期望区间值内，维持PWM信号周期的原高电位比例。

4.根据权利要求2所述的基于云端的LED照明节能方法，其特征在于，令期望中值P=（P_min+P_max）/2，则：

当P－B_m,n≤30%，则k=10；

当30%＜P－B_m,n≤60%，则k=50；

当60%＜P－B_m,n，则k=25。