CN115604894A - 基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统及协作预测控制方法 - Google Patents

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CN115604894A CN202211338314.3A CN202211338314A CN115604894A CN 115604894 A CN115604894 A CN 115604894A CN 202211338314 A CN202211338314 A CN 202211338314A CN 115604894 A CN115604894 A CN 115604894A
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赵俊
王浩然
甘宇航
侯劲
唐磊
孙志尧
王小刚
杨韩
周万其
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Zigong Light Trade Group Ltd By Share Ltd
Sichuan University of Science and Engineering
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Zigong Light Trade Group Ltd By Share Ltd
Sichuan University of Science and Engineering
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/175—Controlling the light source by remote control
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/155—Coordinated control of two or more light sources

Abstract

本发明公开了基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统及协作预测控制方法，其系统包括灯会总控和灯组局部控制系统；所述灯会总控包括现场服务器和云控制中心服务器，所述现场服务器布置于总控室，在彩灯现场与云控制系统出现网络故障时作为云服务器的备用；所述云控制中心服务器实现彩灯系统的整体监视、控制、故障检测、报警功能；所述灯组局部控制系统实现对应单个灯组的传感器信息采集、状态估计、故障检测和动作执行。本发明实现每个灯组的运行组态、报警、故障、历史调度等显示标志和各个灯组的实时监视和控制。

Description

基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统及协作预测控制方法
技术领域
本发明涉及彩灯控制技术领域，尤其基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统及协作预测控制方法。
背景技术
自贡灯会是四川省的著名旅游商标，也是自贡经济产值增收的主要支柱，但是目前自贡彩灯市场存在环境混乱、技术创新能力不足、材料资源浪费、灯组控制传统单一等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统及协作预测控制方法，实现每个灯组的运行组态、报警、故障、历史调度等显示标志和各个灯组的实时监视和控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明基于嵌入式、人工智能技术结合多智能体系统和网络化预测控制理论方法，将“智慧”的大脑赋予室内彩灯会展控制系统，针对室内微缩彩灯会展，实现能思考，有反应，会互动，可协作的智慧彩灯，并基于此建立一套室内微缩智慧彩灯控制系统。
基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，包括灯会总控和灯组局部控制系统；
所述灯会总控包括现场服务器和云控制中心服务器，
所述现场服务器布置于总控室，在彩灯现场与云控制系统出现网络故障时作为云服务器的备用；
所述云控制中心服务器实现彩灯系统的整体监视、控制、故障检测、报警功能；
所述灯组局部控制系统实现对应单个灯组的传感器信息采集、状态估计、故障检测和动作执行。
进一步的，所述灯组局部控制系统包括多个远程I/O和至少一个现场控制器，多个远程I/O分别与现场控制器相连接，现场控制器通过物联网消息队列与所述现场服务器和所述云服务器实时通信。
进一步的，灯组内所述远程I/O与所述现场控制器之间拟采用无线和电力载波两种组网方式。
进一步的，所述现场控制器采用RT-Thread实时微系统，包括电子围栏模块、历史数据调度模块、故障模块、异常报警模块、运行监控模块和控制模块；
电子围栏模块用于禁止非法入侵检测；
运行监控模块用于实时监控各个灯组运行参数；
控制模块用于下发所述云控制中心服务器的灯组动作控制指令；
故障模块用于监控各个灯组故障情况，并进行故障记录；
异常报警模块用于发生灯组故障、现场安全事故和非法侵入进行警示；
历史数据调度模块用于记录灯组工作日志，现场或远端查询灯组历史数据。进一步的，所述云控制中心服务器装载有彩灯云控制软件，用于每个彩灯灯组的运行组态、报警、故障、历史调度等显示标志和各个灯组的实时监视和控制。
进一步的，所述彩灯云控制软件采用B/S结构，彩灯云控制软件采用HTML5+CSS3+JavaScript结合Vue.js框架开发云控制中心前端软件，采用基于SpringCloud的微服务框架开发云控制中心后端软件。
一种基于互联网+的彩灯协作预测控制方法，包括以下具体步骤：
S1：将彩灯描述为被控对象并设置索引值；
S2：将第i彩灯的颜色按照红绿蓝色彩空间描述，彩灯的表现可描述为一个三维向量yi(t)＝[ri(t)gi(t)bi(t)]T；
S3：将灯组远程I/O的控制输入电压用一个ni维向量描述，其中ni是控制输入的维度；
S4：云服务器:在发送控制命令时通过已得到的彩灯动态特性主动预测将来一段时间的控制输入序列，伴随时间标签打包发送；
S5：现场控制器在接受到控制命令后，根据时间标签从包中选取预测命令作为控制输入，实现灯组协作的网络化预测控制。
本发明的有益效果：
(1)基于云计算服务器采用B/S架构实现灯会云控制中心设计，具有物理信息融合、故障诊断、数据库、人工智能算法、网站后台服务等功能；(2)彩灯现场控制系统设计，包括现场灯组的控制系统、管理终端两部分，实现灯会现场的彩灯控制、电力系统检测、禁入区域非法入侵检测等功能；(3)基于多智能体的室内微缩彩灯协作控制方法研究，实现大规模彩灯灯组的协作控制，增强室内彩灯会展的科技震撼感；(4)分布式智慧彩灯预测控制方法研究，解决服务器与灯组控制器之间存在网络通信延迟、数据丢包等通信受限的问题；(5)实现微缩灯会(室内)大世界彩灯会展的人工智能技术应用与示范。(6)在原有彩灯控制技术技术单一简单的基础上，引入了人工智能等新技术，使传统的灯展进入了数值经济模式，从根本上改变了旧有模式，实现了彩灯灯会传统模式到数字化模式的跨越。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的系统整体结构示意图；
图2是本发明的现场控制器搭载的实时物联网操作系统软件结构框图；
图3是本发明的前端网页结构示意图；
图4是本发明的云控制中心后端软件结构示意图；
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明的设计及实施的主要目标是基于嵌入式、人工智能技术结合多智能体系统和网络化预测控制理论方法，将“智慧”的大脑赋予室内彩灯会展控制系统，针对室内微缩彩灯会展，实现能思考，有反应，会互动，可协作的智慧彩灯，并基于此建立一套基于互联网+的室内微缩智慧彩灯控制技。
本发明旨在设计开发建设智慧自贡彩灯技术创新平台其中最主要的技术为彩灯的嵌入式开发，通过RT-Thread微系统控制，系统平台建设总体设计采用如图1所示结构，其中系统平台的核心部分分为包括灯会总控和灯组局部控制系统；
所述灯会总控包括现场服务器和云控制中心服务器，
所述现场服务器布置于总控室，在彩灯现场与云控制系统出现网络故障时作为云服务器的备用；
所述云控制中心服务器实现彩灯系统的整体监视、控制、故障检测、报警功能；
所述灯组局部控制系统实现对应单个灯组的传感器信息采集、状态估计、故障检测和动作执行。
进一步的，本发明基于STM32嵌入式设备搭载多种传感器和物联网RT-Thread微系统开发彩灯灯组局部控制系统，并利用Zigbee、交流载波等有线、无线结合的方式实现智能彩灯组网控制，通过MQTT接入云控制中心。利用智能控制终端搭载的视频、声音传感器，通过在云服务器调用人脸识别、表情识别等人工智能算法，实现游客与彩灯的互动，提升彩灯的科技观感和娱乐性，同时为大规模彩灯协作控制奠定硬件基础。
所述灯组局部控制系统包括多个远程I/O和至少一个现场控制器，多个远程I/O分别与现场控制器相连接，现场控制器通过物联网消息队列与所述现场服务器和所述云服务器实时通信。现场控制器基于ARM微控制器搭载物联网实时操作系统实现，远程I/O基于8位微处理器实现。本发明中灯组控制器的操作系统具有极强的可伸缩特性。灯组控制器通过物联网消息队列与现场服务器和云服务器实时通信。借助阿里云的接入，灯组局部控制器可实现随游客表情、手势、距离等因素变化控制效果的互动控制效果。
进一步的，灯组内所述远程I/O与所述现场控制器之间拟采用无线和电力载波两种组网方式。
进一步的，如图2所示，所述现场控制器采用RT-Thread实时微系统，包括电子围栏模块、历史数据调度模块、故障模块、异常报警模块、运行监控模块和控制模块；
电子围栏模块用于禁止非法入侵检测；
运行监控模块用于实时监控各个灯组运行参数；
控制模块用于下发所述云控制中心服务器的灯组动作控制指令；
故障模块用于监控各个灯组故障情况，并进行故障记录；
异常报警模块用于发生灯组故障、现场安全事故和非法侵入进行警示；
历史数据调度模块用于记录灯组工作日志，现场或远端查询灯组历史数据。进一步的，所述云控制中心服务器装载有彩灯云控制软件。
对于彩灯会展项目而言，游客的安全是第一要务，因此，为防止游客非法将进入禁入区域导致的触电、扎上等安全事故，以及因电子线路发生短路、开路而导致的火灾、人员触电等安全事故的发生，本发明设计观灯区电子围栏、电流载荷检测及烟雾检测预警。
进一步的，如图3-4所示，所述彩灯云控制软件采用B/S结构，彩灯云控制软件采用HTML5+CSS3+JavaScript结合Vue.js框架开发云控制中心前端软件，采用基于SpringCloud的微服务框架开发云控制中心后端软件。云中心的后端用于实现物理信息融合、故障诊断、数据库、人工智能算法、网站后台服务等功能。云中心的前端支持不同分辨率的跨平台设备访问，实现管理人员在手机、平板、语音合成步话机以及中央总控室等多种平台实现自身权限下的管理和控制功能。实现每个灯组的运行组态、报警、故障、历史调度等显示标志和各个灯组的实时监视和控制。
利用嵌入式技术和云计算平台实现智慧彩灯的组网和协作控制能有效提升彩灯会展的安全性、可靠性、娱乐性和科技感，同时，网络本身的延迟、丢包和数据包乱序等问题对控制系统的稳定性也带来了挑战。因此，本发明公开一种彩灯协作预测控制方法，通过对室内彩灯控制网络的性能测试实验，建模分析室内彩灯控制网络的延迟和丢包特性，利用基于模型的预测控制思想结合彩灯会展实际控制需求，研究一种彩灯协作预测控制方法，提升彩灯控制系统对网络延迟和数据丢包的鲁棒性。
一种基于互联网+的彩灯协作预测控制方法，包括以下具体步骤：
将彩灯描述为被控对象并设置索引值，将第i彩灯的颜色按照红绿蓝(RGB)色彩空间描述，则彩灯的表现(输出)可描述为一个三维向量yi(t)＝[ri(t)gi(t)bi(t)]T，将灯组远程I/O的继电器、可控硅等控制输入电压用一个ni维向量描述，其中ni是控制输入的维度。这样，通过电路系统机理建模，容易描述出第i个智能体的动态特性；进一步，云服务器利用彩灯的动态特性，在发送控制命令时先通过已得到的彩灯动态特性主动预测将来一段时间的控制输入序列伴随时间标签打包发送，彩灯控制器在接受到控制命令后，根据时间标签从包中选取合适的预测命令作为控制输入，从而实现灯组协作的网络化预测控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，包括灯会总控和灯组局部控制系统；所述灯会总控包括现场服务器和云控制中心服务器，
所述现场服务器布置于总控室，在彩灯现场与云控制系统出现网络故障时作为云服务器的备用；
所述云控制中心服务器实现彩灯系统的整体监视、控制、故障检测、报警功能；
所述灯组局部控制系统实现对应单个灯组的传感器信息采集、状态估计、故障检测和动作执行。
2.根据权利要求1所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，所述灯组局部控制系统包括多个远程I/O和至少一个现场控制器，多个远程I/O分别与现场控制器相连接，现场控制器通过物联网消息队列与所述现场服务器和所述云服务器实时通信。
3.根据权利要求2所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，灯组内所述远程I/O与所述现场控制器之间拟采用无线和电力载波两种组网方式。
4.根据权利要求2所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，所述现场控制器采用RT-Thread实时微系统，包括电子围栏模块、历史数据调度模块、故障模块、异常报警模块、运行监控模块和控制模块；
电子围栏模块用于禁止非法入侵检测；
运行监控模块用于实时监控各个灯组运行参数；
控制模块用于下发所述云控制中心服务器的灯组动作控制指令；
故障模块用于监控各个灯组故障情况，并进行故障记录；
异常报警模块用于发生灯组故障、现场安全事故和非法侵入进行警示；
历史数据调度模块用于记录灯组工作日志，现场或远端查询灯组历史数据。
5.根据权利要求1所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，所述云控制中心服务器装载有彩灯云控制软件，用于每个彩灯灯组的运行组态、报警、故障和历史调度显示标志以及各个灯组的实时监视和控制。
6.根据权利要求5所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，所述彩灯云控制软件采用B/S结构，彩灯云控制软件采用HTML5+CSS3+JavaScript结合Vue.js框架开发云控制中心前端软件，采用基于Spring Cloud的微服务框架开发云控制中心后端软件。
7.一种基于互联网+的彩灯协作预测控制方法，采用权利要求1-6任意一项所述的基于互联网+的彩灯嵌入式控制系统，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：将彩灯描述为被控对象并设置索引值；
S2：将第i彩灯的颜色按照红绿蓝色彩空间描述，彩灯的表现可描述为一个三维向量yi(t)＝[ri(t) gi(t) bi(t)]T；
S3：将灯组远程I/O的控制输入电压用一个ni维向量描述，其中ni是控制输入的维度；
S4：云服务器:在发送控制命令时通过已得到的彩灯动态特性主动预测将来一段时间的控制输入序列，伴随时间标签打包发送；
S5：现场控制器在接受到控制命令后，根据时间标签从包中选取预测命令作为控制输入，实现灯组协作的网络化预测控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116170911A (zh) * 2023-04-23 2023-05-26 深圳市引领联合科技有限公司 一种基于物联网的led灯光控制方法和系统

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