CN117320218B - 智慧照明系统的舒适度一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，应用于包括云端服务器和若干个蓝牙Mesh组网的智慧照明系统，包括以下步骤：设置每一蓝牙Mesh组网包括蓝牙网关和若干蓝牙灯具节点，所述每一蓝牙灯具节点包括蓝牙主控芯片、热释红外传感器和LED灯具；蓝牙网关和参与调节蓝牙灯具节点的蓝牙主控芯片通过蓝牙与最接近的蓝牙网关和蓝牙主控芯片进行通信，建立通信链路，从而形成一个环形网络拓扑；电力系统电能过剩时，云端服务器向蓝牙网关发送调节功率，蓝牙网关作为首个节点向环形网络拓扑结构中发布待调功率目标，对应层的蓝牙灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值，蓝牙网关在调节过程中收集并计算蓝牙Mesh组网的功率已调容量。

Description

智慧照明系统的舒适度一致性控制方法

技术领域

本发明属于照明设计技术领域，具体涉及一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法。

背景技术

随着可再生能源发电比例逐渐增高和大规模并网，引起的波动性和随机性等特征给电力系统的稳定运行带来了极大的考验，向维持系统平衡的运行储备提出了更高的要求。

同时，随着大型建筑的快速发展，地下车库、商场等拥有大量照明灯具的大型室内照明场所逐渐增多，这类大型室内照明场所中的LED照明负荷有着可观的控制容量，对其进行合理的调光控制，LED灯具提供非旋转储备的潜力能够得到大幅度提升。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明提供一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，用于将平均一致性算法应用到大批量灯具的调光控制中，实现了在完成运行储备的同时所有灯具亮度均匀让用户舒适度达到一致的功能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，应用于包括云端服务器和若干个蓝牙Mesh组网的智慧照明系统，包括以下步骤:

设置每一蓝牙Mesh组网包括蓝牙网关和若干蓝牙灯具节点，所述每一蓝牙灯具节点包括蓝牙主控芯片、热释红外传感器和LED灯具；蓝牙网关和参与调节蓝牙灯具节点的蓝牙主控芯片通过蓝牙与最接近的蓝牙网关和蓝牙主控芯片进行通信，建立通信链路，从而形成一个环形网络拓扑；

电力系统电能过剩时，云端服务器向蓝牙网关发送调节功率，蓝牙网关作为首个节点向环形网络拓扑结构中发布待调功率目标，热释红外传感器采集LED灯具的照度，把照度信息发送给蓝牙主控芯片，对应层的蓝牙灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值，蓝牙网关在调节过程中收集并计算蓝牙Mesh组网的功率已调容量，当该蓝牙Mesh组网内各个蓝牙灯具节点达到目标调节功率并且用户舒适度趋于一致时结束本次舒适度一致性调节。

一种可能的实施方式中，所述舒适度一致性调节包括两阶段，当电力系统功率的需求功率过剩时，第一阶段优先调节小于最佳舒适度部分的LED灯具，直至所有的LED灯具的舒适度都大于等于最佳舒适度，调节进入第二阶段，调节舒适度趋于一致；其中最佳舒适度为照度350lx时的舒适度系数。

一种可能的实施方式中，在舒适度一致性调节的第一阶段，参与第一阶段调节的LED最接近的蓝牙灯具节点建立通信链路；调节过程中若LED灯具的照度达到了350lx，则该LED灯具退出调节，环形网络拓扑重构，该LED灯具相连的两个LED灯具节点建立通信链路，从而建立新的环形网络拓扑结构。

一种可能的实施方式中，在舒适度一致性调节的第二阶段，所有的LED灯具最接近的LED灯具节点建立通信链路，调节过程中，环形网络拓扑结构不发生变化。

一种可能的实施方式中，环形网络拓扑结构的拉普拉斯矩阵表示为：

式中，表示第i个节点和第j个节点的连接关系，有连接为1，没有连接为0。

一种可能的实施方式中，进一步包括对每一蓝牙Mesh组网内的LED灯具建立负荷模型得到LED灯具的工作状态：

其中表示LED的调节状态；/>表示第/>盏灯具的功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的占空比，在0到1的范围内；/>表示LED灯具的额定功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的光通量，单位为lm；/>为LED灯具的发光效率；m为光源的辐射系数，它与半角/>的余弦值/>成正比；/>为第/>盏灯具在垂直平面的照度，单位为lx；H表示LED灯具的高度，单位为m；/>表示照度检测点距离LED光源横向上的距离，/>表示照度检测点距离LED光源纵向上的距离，/>表示照度检测点距离LED灯具高度上的距离，单位为m；θ为光照角度；使用每盏灯具光照接受面中正下方的照度作为参考值，得到灯具照度与占空比间的关系式：

通过照度得到评价用户舒适度的正态分布函数：

使用每盏灯具的照度值作为自变量；为正太分布函数的期望，取值为用户舒适度最佳的照度350 lx，/>为正太分布函数的方差，取值为110。

一种可能的实施方式中，对应层的LED灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值包括：LED灯具节点，在舒适度一致性调节的交换LED 灯具节点的状态，在舒适度一致性调节的第二阶段交换LED灯具节点的状态，其中/>表示t时刻第/>盏蓝牙灯具的舒适度：

舒适度一致性调节的第一阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的左半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越大，能够提供更多的调节功率，因此用[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

舒适度一致性调节的第二阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的右边半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越小，能够提供更多的调节功率；此外，x _i (t)小于等于1，因此用[1-x ₁, 1-x ₂, 1-x ₃,…, 1-x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

为了防止在调节过程中状态值超过LED灯具通过改变PWM能够调节的舒适度范围，根据舒适度阈值以及LED灯具的发光能力将/>限定在上限/>和下限/>之间，应用饱和函数后LED灯具在/>时刻的状态表示为：

由时刻节点/>的状态值/>、相邻节点j的状态值/>、控制参数/>和拉普拉斯矩阵L通过计算得出下一时刻节点/>的状态更新值/>：

蓝牙网关节点的状态更新值表示为：

式中，α是蓝牙节点的控制系数，β是控制节点的控制系数，x _tar 是蓝牙Mesh组网的目标调节功率，x _or 是蓝牙Mesh组网在t时刻总调节功率；

矩阵形式表示为：

其中拉普拉斯矩阵L起到反馈的作用，各个蓝牙灯具通过根据调整PWM占空比的方式改变光照强度以调节用户舒适度；

利用分布式一致性算法迭代，在组网拓扑内，根据网络连接结构各个相连接的节点依次传播目标调节功率直到经过一轮分配的目标调节功率被再次传播到网关节点1，视为一次迭代；在应用一致性算法后，各个节点通过多次与邻接节点进行信息交互，最终所有节点完成目标功率调节分配的同时，将用户舒适度收敛至阈值范围内的同一值。

采用本发明具有如下的有益效果：保证用户光照舒适度和光照的前提下，通过管理大规模照明系统功率调节为电力系统提供运行备用容量，参与电力系统的辅助服务，保证电能质量；与集中式控制相比，分布式控制虽然耗时较长，但有更灵活、稳定和易于拓展的优点，更加适合应用于对实时性要求不高的多智能体场景；改进一致性算法，根据节点调节状态改变组网拓扑，选择合适的节点参与调节保证舒适度和调节能力的最大化，合理分配目标调节功率。

附图说明

图1为本发明实施例的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法利用的智慧照明系统的原理框图；

图3为一具体应用实例中灯具初始状态的示意图；

图4为一具体应用实例中已调功率变化曲线图；

图5为一具体应用实例中调节的舒适度曲线示意图。

实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

利用建筑室内LED灯具可控负荷作为运行储备的基本前提是不对用户舒适度产生影响，因此用户舒适度在调控过程中应占主导地位。用户舒适度常通过对环境照度的需求来衡量。为了保证调控过程中不对用户舒适度产生较大的影响，需要确保在改变LED灯具功率的同时也满足最低照度所对应的舒适度需求。故而本发明实施例提出了一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，参见图1所示的步骤流程图，应用于包括云端服务器和若干个蓝牙Mesh组网的智慧照明系统，系统原理框图如图2所示，包括以下步骤:

S10，设置每一蓝牙Mesh组网包括蓝牙网关和若干蓝牙灯具节点，所述每一蓝牙灯具节点包括蓝牙主控芯片、热释红外传感器和LED灯具；蓝牙网关和参与调节蓝牙灯具节点的蓝牙主控芯片通过蓝牙与最接近的蓝牙网关和蓝牙主控芯片进行通信，建立通信链路，从而形成一个环形网络拓扑；

S20，电力系统电能过剩时，云端服务器向蓝牙网关发送调节功率，蓝牙网关作为首个节点向环形网络拓扑结构中发布待调功率目标，热释红外传感器采集LED灯具的照度，把照度信息发送给蓝牙主控芯片，对应层的蓝牙灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值，蓝牙网关在调节过程中收集并计算蓝牙Mesh组网的功率已调容量，当该蓝牙Mesh组网内各个蓝牙灯具节点达到目标调节功率并且用户舒适度趋于一致时结束本次舒适度一致性调节。

本发明一实施例的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，S20中，舒适度一致性调节包括两阶段，当电力系统功率的需求功率过剩时，第一阶段优先调节小于最佳舒适度部分的LED灯具，直至所有的LED灯具的舒适度都大于等于最佳舒适度，调节进入第二阶段，调节舒适度趋于一致；其中最佳舒适度为照度350lx时的舒适度系数。

具体应用实例中，在舒适度一致性调节的第一阶段，参与第一阶段调节的LED最接近的蓝牙灯具节点建立通信链路；调节过程中若LED灯具的照度达到了350lx，则该LED灯具退出调节，环形网络拓扑重构，该LED灯具相连的两个LED灯具节点建立通信链路，从而建立新的环形网络拓扑结构。在舒适度一致性调节的第二阶段，所有的LED灯具最接近的LED灯具节点建立通信链路，调节过程中，环形网络拓扑结构不发生变化。

本发明一实施的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，环形网络拓扑结构的拉普拉斯矩阵表示为：

式中，表示第/>个节点和第j个节点的连接关系，有连接为1，没有连接为0。

本发明一实施的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法进一步包括对每一蓝牙Mesh组网内的LED灯具建立负荷模型得到LED灯具的工作状态：

其中表示LED的调节状态；/>表示第/>盏灯具的功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的占空比，在0到1的范围内；/>表示LED灯具的额定功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的光通量，单位为lm；/>为LED灯具的发光效率；m为光源的辐射系数，它与半角/>的余弦值/>成正比；/>为第/>盏灯具在垂直平面的照度，单位为lx；H表示LED灯具的高度，单位为m；/>表示照度检测点距离LED光源横向上的距离，/>表示照度检测点距离LED光源纵向上的距离，/>表示照度检测点距离LED灯具高度上的距离，单位为m；θ为光照角度；使用每盏灯具光照接受面中正下方的照度作为参考值，得到灯具照度与占空比间的关系式：

。

由于建筑内的照明系统是一个以用户为中心的照明系统，因此灯具需要在不影响用户舒适度的前提下进行调光。本系统使用色温为4000 K的灯具，在满足国际照明委员会推荐的室内照度标准下，根据色温、照度和舒适性关系，设置用户舒适度在室内照度为350lx时达到最佳状态，在室内照度为200 lx时达到最低可接受状态。至此，通过照度得到评价用户舒适度的正态分布函数：

使用每盏灯具的照度值作为自变量；为正太分布函数的期望，取值为用户舒适度最佳的照度350 lx，/>为正太分布函数的方差，取值为110。考虑灯具色温和舒适度的关系，将最低照度的正太分布值0.4和最佳照度时的正态分布值1作为阈值，调光过程应保证所有灯具的舒适度在阈值范围内。推导出各灯具的用户舒适度与PWM占空比之间的关系，由此建立了用户舒适度与灯具功率间的数学模型。

对应层的LED灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值包括：LED灯具节点，在舒适度一致性调节的交换LED 灯具节点的状态，在舒适度一致性调节的第二阶段交换LED灯具节点的状态/>，其中/>表示/>时刻第盏蓝牙灯具的舒适度：

舒适度一致性调节的第一阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的左半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越大，能够提供更多的调节功率，因此用[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

舒适度一致性调节的第二阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的右边半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越小，能够提供更多的调节功率；此外，x _i (t)小于等于1，因此用[1-x ₁, 1-x ₂, 1-x ₃,…, 1-x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

为了防止在调节过程中状态值超过LED灯具通过改变PWM能够调节的舒适度范围，根据舒适度阈值以及LED灯具的发光能力将/>限定在上限/>和下限/>之间，应用饱和函数后LED灯具在/>时刻的状态表示为：

由时刻节点/>的状态值/>、相邻节点j的状态值/>、控制参数/>和拉普拉斯矩阵L通过计算得出下一时刻节点/>的状态更新值/>：

蓝牙网关节点的状态更新值表示为：

式中，α是蓝牙节点的控制系数，β是控制节点的控制系数，x _tar 是蓝牙Mesh组网的目标调节功率，x _or 是蓝牙Mesh组网在t时刻总调节功率；

矩阵形式表示为：

其中拉普拉斯矩阵L起到反馈的作用，各个蓝牙灯具通过根据调整PWM占空比的方式改变光照强度以调节用户舒适度；

利用分布式一致性算法迭代，在组网拓扑内，根据网络连接结构各个相连接的节点依次传播目标调节功率直到经过一轮分配的目标调节功率被再次传播到网关节点1，视为一次迭代；在应用一致性算法后，各个节点通过多次与邻接节点进行信息交互，最终所有节点完成目标功率调节分配的同时，将用户舒适度收敛至阈值范围内的同一值。

一具体应用实例中，图3为灯具初始状态的示意图；图4为已调功率变化曲线图；图5为调节的舒适度曲线示意图。首先对调节状态为0的48个灯具节点进行第一阶段的一致性调节，调节状态为1的灯具节点不参与本次调节，这些节点对应的邻接矩阵断开且调节状态保持不变。在第一次调节的过程中，如果有灯具节点舒适度到达最大值1，则将其调节状态修改为1，同时更新邻接矩阵不再参与第一阶段的调节。经过1171次调节后，所有灯具调节状态都到达最大值1。这时，网关节点计算对应的剩余目标功率，对所有调节状态为1的灯具进行第二阶段一致性调节。第二次一致性调节在3749次调节后，调节功率达到300W的目标调节功率，且灯具舒适度值已收敛，两次调节共计4920次。

通过以上设置的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，保证用户光照舒适度和光照的前提下，通过管理大规模照明系统功率调节为电力系统提供运行备用容量，参与电力系统的辅助服务，保证电能质量；与集中式控制相比，分布式控制虽然耗时较长，但有更灵活、稳定和易于拓展的优点，更加适合应用于对实时性要求不高的多智能体场景；改进一致性算法，根据节点调节状态改变组网拓扑，选择合适的节点参与调节保证舒适度和调节能力的最大化，合理分配目标调节功率。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (6)

1.一种智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，应用于包括云端服务器和若干个蓝牙Mesh组网的智慧照明系统，包括以下步骤:

设置每一蓝牙Mesh组网包括蓝牙网关和若干蓝牙灯具节点，所述每一蓝牙灯具节点包括蓝牙主控芯片、热释红外传感器和LED灯具；蓝牙网关和参与调节蓝牙灯具节点的蓝牙主控芯片通过蓝牙与最接近的蓝牙网关和蓝牙主控芯片进行通信，建立通信链路，从而形成一个环形网络拓扑；

电力系统电能过剩时，云端服务器向蓝牙网关发送调节功率，蓝牙网关作为首个节点向环形网络拓扑结构中发布待调功率目标，热释红外传感器采集LED灯具的照度，把照度信息发送给蓝牙主控芯片，对应层的蓝牙灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值，蓝牙网关在调节过程中收集并计算蓝牙Mesh组网的功率已调容量，当该蓝牙Mesh组网内各个蓝牙灯具节点达到目标调节功率并且用户舒适度趋于一致时结束本次舒适度一致性调节；

进一步包括对每一蓝牙Mesh组网内的LED灯具建立负荷模型得到LED灯具的工作状态：

；

；

其中表示LED的调节状态；/>表示第/>盏灯具的功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的占空比，在0到1的范围内；/>表示LED灯具的额定功率，单位为W；/>表示第/>盏灯具的光通量，单位为lm；/>为LED灯具的发光效率；m为光源的辐射系数，它与半角/>的余弦值成正比；/>为第/>盏灯具在垂直平面的照度，单位为lx；H表示LED灯具的高度，单位为m；/>表示照度检测点距离LED光源横向上的距离，/>表示照度检测点距离LED光源纵向上的距离，/>表示照度检测点距离LED灯具高度上的距离，单位为m；θ为光照角度；使用每盏灯具光照接受面中正下方的照度作为参考值，得到灯具照度与占空比间的关系式：

；

通过照度得到评价用户舒适度的正态分布函数：

；

使用每盏灯具的照度值作为自变量；为正太分布函数的期望，取值为用户舒适度最佳的照度350 lx，/>为正太分布函数的方差，取值为110。

2.如权利要求1所述的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，所述舒适度一致性调节包括两阶段，当电力系统功率的需求功率过剩时，第一阶段优先调节小于最佳舒适度部分的LED灯具，直至所有的LED灯具的舒适度都大于等于最佳舒适度，调节进入第二阶段，调节舒适度趋于一致；其中最佳舒适度为照度350lx时的舒适度系数。

3.如权利要求2所述的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，在舒适度一致性调节的第一阶段，参与第一阶段调节的LED最接近的蓝牙灯具节点建立通信链路；调节过程中若LED灯具的照度达到了350lx，则该LED灯具退出调节，环形网络拓扑重构，该LED灯具相连的两个LED灯具节点建立通信链路，从而建立新的环形网络拓扑结构。

4.如权利要求3所述的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，在舒适度一致性调节的第二阶段，所有的LED灯具最接近的LED灯具节点建立通信链路，调节过程中，环形网络拓扑结构不发生变化。

5.如权利要求1所述的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，环形网络拓扑结构的拉普拉斯矩阵表示为：

；式中，/>表示第/>个节点和第j个节点的连接关系，有连接为1，没有连接为0。

6.如权利要求1所述的智慧照明系统的舒适度一致性控制方法，其特征在于，对应层的LED灯具节点通过蓝牙交换并计算更新各自的状态值包括：LED灯具节点，在舒适度一致性调节的交换LED 灯具节点的状态，在舒适度一致性调节的第二阶段交换LED灯具节点的状态/>，其中/>表示时刻第/>盏蓝牙灯具的舒适度：

；

舒适度一致性调节的第一阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的左半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越大，能够提供更多的调节功率，因此用[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

舒适度一致性调节的第二阶段，蓝牙灯具的舒适度[x ₁,x ₂,x ₃,…,x _n ]^T分布在正态分布曲线的右边半部分，x _i (t)越大，灯具的调节潜力越小，能够提供更多的调节功率；此外，x _i (t)小于等于1，因此用[1-x ₁, 1-x ₂, 1-x ₃,…, 1-x _n ]^T来表示LED 灯具节点的状态；

为了防止在调节过程中状态值超过LED灯具通过改变PWM能够调节的舒适度范围，根据舒适度阈值以及LED灯具的发光能力将/>限定在上限/>和下限/>之间，应用饱和函数后LED灯具在时刻的状态表示为：

；

由t时刻节点i的状态值、相邻节点j的状态值/>、控制参数/>和拉普拉斯矩阵L通过计算得出下一时刻节点i的状态更新值/>：

；

蓝牙网关节点的状态更新值表示为：

；

式中，α是蓝牙节点的控制系数，β是控制节点的控制系数，x _tar 是蓝牙Mesh组网的目标调节功率，x _or 是蓝牙Mesh组网在t时刻总调节功率；

矩阵形式表示为：

；

其中拉普拉斯矩阵起到反馈的作用，各个蓝牙灯具通过根据调整PWM占空比的方式改变光照强度以调节用户舒适度；

利用分布式一致性算法迭代，在组网拓扑内，根据网络连接结构各个相连接的节点依次传播目标调节功率直到经过一轮分配的目标调节功率被再次传播到网关节点1，视为一次迭代；在应用一致性算法后，各个节点通过多次与邻接节点进行信息交互，最终所有节点完成目标功率调节分配的同时，将用户舒适度收敛至阈值范围内的同一值。