一种led路灯智能控制器及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种LED路灯智能控制器及控制方法，所述LED路灯智能控制器，包括电源、光敏传感器、取样电路、信号调理电路、模数转换电路、微处理器、驱动器、LED路灯电源和LED路灯；所述光敏传感器、取样电路、信号调理电路、模数转换电路、微处理器构成自然光照测量系统，所述微处理器、驱动器、LED路灯电源和LED路灯构成LED路灯驱动系统。本发明与已有技术相比有以下优点：能根据黄昏时分自然光照强度特征，自动调节LED路灯光照强度，充分利用自然光，在保证整体光照强度（即LED路灯光照与自然光照之和）不变的前提下，降低了LED路灯的能耗。
【专利说明】
一种LED路灯智能控制器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于路灯，具体涉及一种LED路灯控制器及控制方法。 技术背景
[0002] 目前，LED路灯在道路照明、城市亮化工程等领域中获得了广泛应用，其控制方式 大多为分为人工控制或定时控制两类。这两种控制方式简单，但存在明显缺陷:不能根据天 气情况或外界自然光情况自动调节LED路灯的光照强度，从而造成电能浪费。为解决这个问 题，许多学者和工程师进行了大量的研究工作，试图降低LED路灯的能耗。陈晓艳等利用 GPRS和ZigBee设计了一种LED路灯智能监控系统（"基于GPRS与ZigBee的LED路灯智能控制 系统设计"，陈晓艳、高伟、秦欢，《电子测量技术》，2013年10月），李莲等利用模糊控制方法 设计了LED路灯三级节能控制方法(全功率、半功率、全关闭"基于模糊控制的LED路灯控 制系统的理论研究"，李莲、李立，《照明工程学报》，2012年4月），刘春玲等利用LED驱动芯片 HV9910设计了LED路灯自适应调光电路（"LED路灯自适应调光无线控制器"，刘春玲、王道 乾、崔文冲，《辽宁工程技术大学学报》（自然科学版），2015年1月）。这些方法能在一定程度 上降低LED能耗，但是控制方式过于简单，节能效果有待进一步提高。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种LED路灯控制器及控制方法， 能根据黄昏时分自然光照强度缓慢变弱的特征，自适应地控制LED路灯光照逐渐变强，补偿 整体光照强度，保持整体光照强度不变，充分利用自然光，以达到节能的目的。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
[0005] 本发明提供的LED路灯控制器，包括电源、光敏传感器、取样电路、信号调理电路、 模数转换电路、微处理器、驱动器、LED路灯电源和LED路灯;所述光敏传感器、取样电路、信 号调理电路、模数转换电路、微处理器构成自然光照测量系统，所述微处理器、驱动器、LED 路灯电源和LED路灯构成LED路灯驱动系统;光敏传感器用于检测外界自然光的光照强度， 由取样电路将自然光的光照强度转换为取样电压;取样电压输入到信号调理电路放大处理 后传输至模数转换电路，将模拟电压信号转换为数字信号传输至微处理器，获得自然光照 强度的数字信息;微处理器根据自然光照强度的数字信息产生不同脉宽的脉宽调制信号， 并将此ΠΜ信号传输到驱动器；由驱动器控制一个周期内LED电源有效输出的时间长短，从 而控制LED电源的电流输出大小;通过LED电源的电流输出大小，调节LED路灯的发光强度。
[0006] 本发明提供的LED路灯控制方法，包括以下步骤：
[0007] -、利用自然光照测量系统完成自然环境光照强度测量，获得自然光照强度；
[0008] 二、求出设定的整体光照强度与自然光照强度之差；
[0009] 三、以补偿后光照强度与自然光照强度之差为输入，利用光照测量逆模型，获得 LED路灯驱动器的控制量；
[0010]四、LED路灯驱动器在控制量的作用下，完成LED路灯驱动、发光，此时LED路灯的发 光量即可补偿自然光。
[0011] 所述步骤二是利用MATLAB软件和数据样本（lxi，ui)，采样数值计算方法，构建光 照测量模型并实现光照测量系统的非线性误差补偿，同时构建光照测量逆模 型u = f2 = f(lx)，利用采集的数据样本对光照测量逆模型进行训练，获得光照测量逆模型 的参数;利用采集的数据样本对光照测量模型进行训练，获得光照测量模型的参数，并完成 输入(u)与输出（lx)之间非线性误差补偿，步骤如下：
[0012] 1)根据数据样本（lxi，ui)的变化趋势，以 lx = fi = ao+aiu+a2U2+a3U3+a4U4+a5U5和u = f2 = bo+bilx+b2lx2+b3lx3+b4lx4+b5lx 5为核函数，分别逼近光照测量模型和光照测量逆模 型，其中，ao,…，a5，bo,…，b5分别为光照测量模型和光照测量逆模型的系数；
[0013] 2)利用MATLAB软件和数据样本（lxi，ui)，采样最小二乘法，求解系数ao,…，a5， bo,··· ,b5；
[0014] 3)利用光照测量系统，获得采样电压u，将采样电压u与参数ao，-_，a5R入函数h (即光照测量模型），求得自然光照强度1χ;
[0015] 4)求出设定的整体光照强度与自然光照强度之差Δ 1χ;
[0016] 所述步骤三的控制量，按照以下步骤获得；
[0017] 1)光照强度之差Δ 1χ为输入，将Δ 1χ与参数bo，…，135代入函数f2，获得光照测量逆 模型的输出电压u;
[0018] 2)以光照测量逆模型输出电压u为LED路灯驱动系统控制的输入变量，通过微处理 器的PWM功能，完成LED路灯驱动系统的控制，其控制算法如下：
[0019]
[0020] 式（1)中，z?(u)为LED路灯驱动系统的控制量，CmaALED的最大控制量(在这里， Cmax为模数转换器的参考电压），Ln为当前的自然光照强度，La为启动LED自适应控制的阈值； U为关闭LED自适应控制的阈值，La、Lb的值可根据LED路灯应用环境与要求进行设置，在这 里，L a、Lb的值设置为La = 0.9Lnave，Lb = 0.1 Lnave，其中，Lnave为16:00-17:00时分的平均光照 强度。
[0021]本发明与已有技术相比有以下优点：能根据黄昏时分自然光照强度特征，自动调 节LED路灯光照强度，充分利用自然光，在保证整体光照强度（即LED路灯光照与自然光照之 和)不变的前提下，降低了 LED路灯的能耗。
[0022]下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
【附图说明】
[0023]图1是本发明的LED路灯控制器电路原理框图。
[0024]图2是LED路灯光照强度控制原理框图。
[0025] 图3为光照测量逆模型构建的流程图。
[0026] 图4为光照测量模型构建的流程图。
【具体实施方式】：
[0027]见图1、图2,本发明提供的LED路灯控制器，包括电源、光敏传感器、取样电路、信号 调理电路、模数转换电路、微处理器、驱动器、LED路灯电源和LED路灯;所述光敏传感器、取 样电路、信号调理电路、模数转换电路、微处理器构成自然光照测量系统，所述微处理器、驱 动器、LED路灯电源和LED路灯构成LED路灯驱动系统;光敏传感器用于检测外界自然光的光 照强度，通过导线将光敏传感器与取样电路的取样电阻并联，由取样电路将自然光的光照 强度转换为取样电压;将取样电压输入到信号调理电路放大处理后，传输至模数转换电路， 将模拟电压信号转换为数字信号，传输至微处理器，获得自然光光照强度的数字信息;利用 存储在微处理器中的LED路灯光强自动控制程序，根据外界自然光的光照强度信息，产生不 同脉宽的脉宽调制信号(PWM信号），通过微处理器的I/〇输出引脚，输出PWM信号;并将此PWM 信号传输到驱动器，控制一个周期内LED电源有效输出的时间长短，从而控制LED电源的电 流输出大小;LED电源直接接在LED路灯上，通过LED电源的电流输出大小，调节LED路灯的发 光强度。
[0028] 本实施例中，光敏传感器采用光敏电阻，微处理器采用高性能单片机STM32F103， 模数转换电路采用STM32F103内部的模数转换器，LED路灯驱动器采用现有的专用驱动芯 片。
[0029] 本发明提供的LED路灯控制方法，具体实施步骤如下：
[0030] -、利用自然光照测量系统完成自然环境光照强度测量，获得自然光照强度：
[0031] 利用光照测量系统、光照强度仪等，采集黄昏时分（17:00-19:00)不同光照强度 lxi下的自然光照强度和采样电压ui，采样间隔为1分钟，获得光照测量模型与光照测量逆 模型建模的数据样本(lxi，ui);
[0032] 二、求出设定的整体光照强度（即前一时刻的补偿后光照强度)与自然光照强度之 差：
[0033]利用MATLAB软件和数据样本（lxi，ui)，采样最小二乘法(神经网络方法等数值计 算方法），构建光照测量模型lxifiigU)并实现光照测量系统的非线性误差补偿，同时构 建光照测量逆模型u = f2 = f(lx)，利用采集的数据样本对光照测量逆模型进行训练，获得 光照测量逆模型的参数;利用采集的数据样本对光照测量模型进行训练，获得光照测量模 型的参数，并完成输入(u)与输出（lx)之间非线性误差补偿，步骤如下(参见图3、图4):
[0034] 1)根据数据样本(lxi，ui)的变化趋势，实验发现，5次多项式函数逼近数据样本变 化趋势的效果最佳，即以 lx = f 1 = ao+aiu+a2U2+a3U3+a4U4+a5U5 和u = f2 = bo+bilx+b2lx2+b3lx3 +b4lx4+b5lx5为核函数，分别逼近光照测量模型和光照测量逆模型，其中，av，a 5，bv，b5 分别为光照测量模型和光照测量逆模型的系数；
[0035] 2)利用MATLAB软件和数据样本（lxi，ui)，采样最小二乘法，求解系数ao，···，a 5， 13〇，."，匕5，分别为：&5 = -20.6191，&4=183.4261，&3 = -378.1520，&2 = 349.4903，&1 =-51 . 9688, a〇 = 4.3549 ,b5 = 0.00000000000006 , b4 =-〇 . 000000000 15 297 , b3 = 〇.〇〇〇〇〇〇14177281，b2 = -0.00006323866030，bi = 0.01513490628348，bo = 0.08326819589297.BPax = fi = 4.3549-51.9688u+349.4903u2-378.1520u3+183.4261u 4-20.6191u5,u = f2 = 0.08326819589297+0.015134906283481x+-0.000063238660301x2+ Ο·000000141772811χ3-0·000000000152971x4+0·000000000000061X 5;
[0036] 将光照测量逆模型的参数保存在微处理器中，为在线控制做准备；
[0037] 3)实际在线工作时，利用光照测量系统，获得采样电压u，将采样电压u与参数 &〇，一， &5代入函数h(即光照测量模型），求得自然光照强度lx;
[0038] 4)求出设定的整体光照强度（即前一时刻的补偿后光照强度）与自然光照强度之 差 Alx;
[0039] 三、以补偿后光照强度与自然光照强度之差为输入，利用光照测量逆模型，获得 LED路灯驱动器的控制量；
[0040] 1)光照强度之差Δ?χ为输入，将Δ?χ与参数bo，-_，b5R入函数f 2(即光照测量逆模 型），获得光照测量逆模型的输出电压u;
[0041 ] 2)以光照测量逆模型输出电压u为LED路灯驱动系统控制的输入变量，通过微处理 器STM32F103的PWM功能，完成LED路灯驱动系统的控制，其控制算法如下：
[0042]
[0043] 式中，z?(u)为LED路灯驱动系统的控制量，CmaALED的最大控制量(在这里，Cmax 为STM32F103内部模数转换器的参考电压，即Cmax = 2.5V)，Ln为当前的自然光照强度，La为启 动LED自适应控制的阈值;Lb为关闭LED自适应控制的阈值。La、Lb的值可根据LED路灯应用环 境与要求进彳丁设置。在这里，La、Lb的值设置为La = 0 · 9Lnave，Lb = 0 · ILnave，其中，Lnave为16: 00-17:00时分的平均光照强度；
[0044]四、LED路灯驱动器在控制量的作用下，完成LED路灯驱动、发光，此时LED路灯的发 光量即可补偿自然光。
【主权项】
1. 一种LED路灯智能控制器，其特征是包括电源、光敏传感器、取样电路、信号调理电 路、模数转换电路、微处理器、驱动器、LED路灯电源和LED路灯;所述光敏传感器、取样电路、 信号调理电路、模数转换电路、微处理器构成自然光照测量系统，所述微处理器、驱动器、 LED路灯电源和LED路灯构成LED路灯驱动系统;光敏传感器用于检测外界自然光的光照强 度，由取样电路将自然光的光照强度转换为取样电压;取样电压输入到信号调理电路放大 处理后传输至模数转换电路，将模拟电压信号转换为数字信号传输至微处理器，获得自然 光照强度的数字信息;微处理器根据自然光照强度的数字信息产生不同脉宽的脉宽调制信 号，并将此PWM信号传输到驱动器；由驱动器控制一个周期内LED电源有效输出的时间长短， 从而控制LED电源的电流输出大小；通过LED电源的电流输出大小，调节LED路灯的发光强 度。2. -种LED路灯控制方法，其特征是包括以下步骤： 步骤1.利用自然光照测量系统完成自然环境光照强度测量，获得自然光照强度； 步骤2.求出设定的整体光照强度与自然光照强度之差； 步骤3.以补偿后光照强度与自然光照强度之差为输入，利用光照测量逆模型，获得LED 路灯驱动器的控制量； 步骤4. LED路灯驱动器在控制量的作用下，完成LED路灯驱动、发光，此时LED路灯的发 光量即可补偿自然光。3. 根据权利要求2所述的LED路灯控制方法，其特征是所述步骤2是利用MATLAB软件和 数据样本（lxi，ui)，采样数值计算方法，构建光照测量模型lxifiigU)并实现光照测量 系统的非线性误差补偿，同时构建光照测量逆模型u = f2 = f(lx)，利用采集的数据样本对 光照测量逆模型进行训练，获得光照测量逆模型的参数;利用采集的数据样本对光照测量 模型进行训练，获得光照测量模型的参数，并完成输入U)与输出（Ix)之间非线性误差补 偿，步骤如下： 1) 根据数据样本(lxi，ui)的变化趋势，以 lx = fi = ao+aiu+a2U2+a3U3+a4U4+a5U5 和11 = 5 = 13()+1311叉+匕21叉2+匕31叉3+匕41叉4+匕51叉 5为核函 数，分别逼近光照测量模型和光照测量逆模型，其中，加，一，&5，13()，~，135分别为光照测量模 型和光照测量逆模型的系数； 2) 利用MATLAB软件和数据样本（lxi，ui)，采样最小二乘法，求解系数ao，…，a5，bo，…， bs ； 3) 利用光照测量系统，获得采样电压u，将采样电压u与参数aortas代入函数心（即光 照测量模型），求得自然光照强度Ix; 4) 求出设定的整体光照强度与自然光照强度之差△ lx。4. 根据权利要求3所述的LED路灯控制方法，其特征是所述步骤3的控制量，按照以下步 骤获得； 1) 光照强度之差A Ix为输入，将Δ Ix与参数bo,…，135代入函数f2,获得光照测量逆模型 的输出电压u; 2) 以光照测量逆模型输出电压u为LED路灯驱动系统控制的输入变量，通过微处理器的 PWM功能，完成LED路灯驱动系统的控制，其控制算法如下：式（1)中，z?(u)为LED路灯驱动系统的控制量，Cmax为LED的最大控制量，U为当前的自 然光照强度，La为启动LED自适应控制的阈值;Lb为关闭LED自适应控制的阈值，L a、Lb的值可 根据LED路灯应用环境与要求进行设置，在这里，La、Lb的值设置为L a = O . 9Lnave，Lb = O· ILnave，其中，Lnave为16:00-17:OO时分的平均光照强度D
【文档编号】H05B33/08GK105934042SQ201610472357
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月25日
【发明人】林海军, 赖小强, 兰浩, 杨进宝, 彭可, 李仲阳, 杨艳华
【申请人】湖南师范大学