一种基于互联网的教室LED灯的智能调光系统及方法与流程

本发明属于灯光智能调节技术领域，进一步涉及一种基于互联网的教室LED灯的智能调光系统和方法。

背景技术：

随着校园规模的不断扩大，教室的数量也出现大幅度增加。为了提高师生的教学和学习的环境，教室的照明设施大大改善。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。

LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12％。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。

基于互联网+的智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无需人为参与，可自动实现开关和调光的智能调光系统和方法，其基于互联网技术，不仅减少了学校管理人员的数量，实现了及时开关灯具的功能，而且节约了电资源，延长了灯具的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于互联网的教室LED灯的智能调光系统，包括系统控制单元，若干个均与所述系统控制单元连接的教室单元，每个教室单元内设有若干互相并联的LED灯，每个所述LED灯上均设有ZigBee模块和光照传感器；

每个教室单元内的若干ZigBee模块中，其中任意一个ZigBee模块设为网络协调器，教室单元内剩余ZigBee模块作为终端节点，终端节点与网络协调器构成mesh网络，所述mesh网络和所述光照传感器均通过无线网络服务器与所述系统控制单元连接；

每个教室单元内设有红外计数器以及GPS模块，所述红外计数器和GPS模块均与所述系统控制单元连接；

还包括一用于调光的脉冲宽度调制调光电路，所述脉冲宽度调制调光电路与所述系统控制单元连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述系统控制单元包括ARM处理器、数字信号处理单元和现场可编程门阵列；

所述ARM处理器用于实现整个系统控制单元的主控制和人机交互；所述信号处理单元用于实现LED灯调光的算法；所述现场可编程门阵列用于实现LED灯调光的控制。

在本发明的一个优选实施例中，所述每个教室的LED灯数量为4-15盏。

本发明所述的一种基于互联网的教室LED灯的智能调光方法，包括以下步骤：

数据采集：通过光照传感器、红外计数器以及GPS模块，采集每个教室的LED灯数量、感知人员数量和教室具体位置；

数据传送：通过mesh网络和无线网络服务器，将采集到的LED灯数量、人员数量和教室具体位置发送给系统控制单元；

数据处理：通过接收到的LED灯数量、人员数量和教室具体位置，判断出每个教室的人数以及人员流动情况，同时判断出教室当前的灯光状态以及当前人数；

调光策略判断：根据教室当前的灯光状态、教室的人数以及人员流动情况，与系统控制单元内的三种状态进行对比，进而决定是否需要熄灭LED灯、补光或者动态调光；所述系统控制单元内的三种状态分别为全部熄灭、补光和动态调光；

熄灭LED灯：当教室环境明亮时，且教室人数为零时，系统控制单元内执行熄灭LED灯命令；

补光：当教室环境昏暗，光照度过低时，系统控制单元进行LED灯光补光，提高光照度；

动态调光：当教室环境处于黑暗状态，且存在人员流动时，系统控制单元进行动态调光，即通过脉冲宽度调制调光电路对LED灯进行补光。

在本发明的一个优选实施例中，所述补光步骤具体为：

设定当前测量时刻测得的照度值为zd_currrent，照度最大值为zd_max，照度最小值为zd_min；

0时刻的照度值为zd_0，T时刻照度值为zd_1，在T时间内，照度的变化记为zd_T；

每测一次zd_currrent，进行调光策略判断，当zd_currrent值大于zd_max时，则关闭所有的LED灯；当zd_currrent值小于zd_min，则进行补光。

在本发明的一个优选实施例中，所述补光步骤中，

若测量的照度值zd_currrent介于zd_max和zd_min之间时，其调整的策略为：

1）当zd_0〉zd_1时，外界光照度变小变暗，令 zd_T= zd_0-zd_1，则zd_currrent增加至zd_T；

2）当zd_0<zd_1时，外界光照度变大变亮，令 zd_T= zd_1-zd_0，则zd_currrent减小至zd_；

每测一次zd_currrent，进行一次调光策略判断，并循环上述补光步骤。

在本发明的一个优选实施例中，所述动态调光步骤为：

实时通过光照传感器采集光照数据；

每改变1/256的脉冲宽度，读取一次0时刻的照度值zd_0和T时刻照度值为zd_1，同时判断zd_currrent的范围；

若zd_currrent测得的处于最大值zd_max和最小值zd_min之间，则依据测得的照度值zd_currrent进行补光；

若 zd_0大于zd_1时，则增加1/256的脉冲宽度, 当 zd_0小于zd_1时时，减小1/256的脉冲宽度，循环调整脉冲宽度的步骤，直到zd_0和zd_1相等；

其中，zd_currrent是调光策略判断的标准。

本发明的有益效果如下：

本发明基于互联网+的智能照明控制系统，是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。

本发明能及时保证灯具的及时关闭，进而节约了资源，方便了使用，延长了灯具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于互联网的教室LED灯的智能调光系统的电路原理图；

图2为本发明提供的一种基于互联网的教室LED灯的智能调光方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照附图1，本发明所述的一种基于互联网的教室LED灯的智能调光系统，包括系统控制单元，其用于控制整个智能调光系统，是核心；同时，还包括若干个均与所述系统控制单元连接的教室单元，教室单元的数量根据实际情况进行改变，并不是确定的。

每个教室单元内设有若干互相并联的LED灯，每个所述LED灯上均设有ZigBee模块和光照传感器；通过光照传感器可以获得每个LED灯的当前光照度。

每个教室单元内的若干ZigBee模块中，其中任意一个ZigBee模块设为网络协调器，教室单元内剩余ZigBee模块作为终端节点，终端节点与网络协调器构成mesh网络，所述mesh网络和所述光照传感器均通过无线网络服务器与所述系统控制单元连接；

每个教室单元内设有红外计数器以及GPS模块，所述红外计数器和GPS模块均与所述系统控制单元连接；通过红外计数器，可以得知当前教室人数，同时，结合GPS模块可以得知具体是哪个教室的人数或者LED灯光信息。

还包括一用于调光的脉冲宽度调制调光电路，所述脉冲宽度调制调光电路与所述系统控制单元连接。通过脉冲宽度调制调光电路进行调光，其利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，从而实现灯输出功率的调节。

具体地，所述系统控制单元包括ARM处理器、数字信号处理单元和现场可编程门阵列；

其中，所述ARM处理器用于实现整个系统控制单元的主控制和人机交互；所述信号处理单元用于实现LED灯调光的算法；所述现场可编程门阵列用于实现LED灯调光的控制。

系统控制单元中的各个模块设有对应的功能，其配合使用，实现了对教室LED灯的智能调光，方便使用。

实际使用中，所述每个教室的LED灯数量为4-15盏。

参照附图2所示，一种基于互联网的教室LED灯的智能调光方法，包括以下步骤：

数据采集：通过光照传感器、红外计数器以及GPS模块，采集每个教室的LED灯数量、感知人员数量和教室具体位置；

数据传送：通过mesh网络和无线网络服务器，将采集到的LED灯数量、人员数量和教室具体位置发送给系统控制单元；

数据处理：通过接收到的LED灯数量、人员数量和教室具体位置，判断出每个教室的人数以及人员流动情况，同时判断出教室当前的灯光状态以及当前人数；

调光策略判断：根据教室当前的灯光状态、教室的人数以及人员流动情况，与系统控制单元内的三种状态进行对比，进而决定是否需要熄灭LED灯、补光或者动态调光；

其中，所述系统控制单元内的三种状态分别为全部熄灭、补光和动态调光；针对不同的光照度以及人数，系统控制单元选择不同的状态应对。

熄灭LED灯：当教室环境明亮时，且教室人数为零时，系统控制单元内执行熄灭LED灯命令；教室环境明亮，又没有人，系统会熄灭全部LED灯，避免浪费电。

补光：当教室环境昏暗，光照度过低时，系统控制单元进行LED灯光补光，提高光照度；由于环境昏暗，光照度过低，对人的视力等会造成影响，应提高光照度。

补光步骤具体为，设定当前测量时刻测得的照度值为zd_currrent，照度最大值为zd_max，照度最小值为zd_min；

0时刻的照度值为zd_0，T时刻照度值为zd_1，在T时间内，照度的变化记为zd_T；

每测一次zd_currrent，进行调光策略判断，当zd_currrent值大于zd_max时，则关闭所有的LED灯；当zd_currrent值小于zd_min，则进行补光；

进一步地，所述补光时，若测量的照度值zd_currrent介于zd_max和zd_min之间时，其调整的策略为：

1）当zd_0〉zd_1时，外界光照度变小变暗，令 zd_T= zd_0-zd_1，则zd_currrent增加至zd_T；

2）当zd_0<zd_1时，外界光照度变大变亮，令 zd_T= zd_1-zd_0，则zd_currrent减小至zd_；

每测一次zd_currrent，进行一次调光策略判断，并循环上述补光步骤。

动态调光：当教室环境处于黑暗状态，且存在人员流动时，系统控制单元进行动态调光，即通过脉冲宽度调制调光电路对LED灯进行动态调光。

所述动态调光步骤具体为：

实时通过光照传感器采集光照数据；

每改变1/256的脉冲宽度，读取一次0时刻的照度值zd_0和T时刻照度值为zd_1，同时判断zd_currrent的范围；

若测得的zd_currrent处于最大值zd_max和最小值zd_min之间，则依据测得的照度值zd_currrent进行补光；

若 zd_0大于zd_1时，则增加1/256的脉冲宽度, 当 zd_0小于zd_1时，减小1/256的脉冲宽度，循环调整脉冲宽度的步骤，直到zd_0和zd_1相等；

其中，zd_currrent是调光策略判断的标准。

实施例

在某高校进行试验，共设置20个教室的监控，每个教室均设有10盏灯。在每盏LED灯具上都装有ZigBee模块，并且都配备光照传感器，每个教室都组成mesh网络，教室的前后门分别安装红外计数器，统计教室的人数，为LED调光算法提供依据。

ZigBee模块是可以组建Mesh网络的，设置一个ZigBee模块为网络协调器，其他每个ZigBee模块都可以作路由节点来使用，可以设置为终端节点但是就失去了路由功能。每个教室的LED灯即为一个ZigBee的终端节点，和教室的网络协调器构成mesh网络，通过mesh网络将教室各个节点的照度数据传输到系统控制单元，具体地，可以将数据传输到协调器，协调器利用串口将数据存储在系统控制单元上，可以通过系统控制单元连接上位机，然后通过internet网络将数据发送到系统控制单元中的上位机进行分析、处理和显示，处理后的控制命令再通过系统控制单元进行发送和控制。

系统控制单元采用ARM处理器+信号处理单元+现场可编程门阵列三核协同工作的模式，系统的主控和人机界面都由ARM内核来完成，采用QT Creator软件，界面友好，设计简便，效率高。而LED调光策略的算法由DSP来实现，由于教室较多，而且每个教室的LED灯多达10盏以上，这就要求控制器有非常丰富的I/O接口，所以LED灯的调光控制由FPGA来完成。

基于互联网的教室LED灯的智能调光方法，其工作过程中，共有3个因素影响LED灯的照度和亮灭：

1）每个LED灯具都安装光照传感器，并且都是Zigbee网络的终端节点，利用Zigbee网络将分布于教室各个角落的光照采集信息采集到主控制器节点上，控制器通过internet网络将数据传输到上位机，上位机综合分析光照数据在智能的控制LED灯的亮灭及亮度,每个教室的LED智能终端分别与各自的无线结点控制器通过无线网络进行数据传输；

2）通过LED灯内部集热释电红外传感器，可以进行人员感知，其探测范围可达7—10m，判断LED灯可感知范围内是否有人，从而判断是否需要进行灯光调节；

3）教室门口都有红外计数器来统计教室的人数，系统可以根据人数及人员感知共同决定开LED灯的个数、区域和具体位置，便于集中管理，也有效提高效率，低碳环保。

具体地调光策略为：系统控制单元通过光强度传感器感知环境光度，照度探测范围为1lx—65535lx，利用内部集热释电红外传感器进行人员感知，探测范围可达7—10m，调光方式采用脉冲宽度（PWM）调光。总体来说，系统的工作处于以下3种状态：

1）LED灯全部熄灭。当环境处于明亮状态时，即亮度大于8LX，系统关闭LED的供电，LED灯熄灭；其亮度为教室内所有LED灯的光照度之和。

2）LED灯补光。当环境处于昏暗状态时，即光度大于3LX，小于8LX时，系统执行补光功能，使环境亮度达到8LX，实现环境的恒照度控制；

3）LED的动态调光：当环境处于黑暗状态时，即光度小于3LX。此时系统根据环境人员的流动情况动态调整LED亮度，人员流动量越大，灯光越亮，人员流动减小，灯光逐步变暗。在给定的时间内，如果没有检测到人员流动，系统将自动关闭LED电源，以实现节能控制。

LED灯补光的过程如下：

设当前时刻测得的照度值为zd_currrent，照度最大值为zd_max，照度最小值为zd_min。0时刻的照度值为zd_0，T时刻照度值为zd_1，在T时间内，照度的变化记为zd_T。每测一次zd_currrent，进行调光策略判断，其值大于zd_max，则关闭所有的LED灯，其值小于zd_min，则进行动态调光。若当前的照度值介于zd_max和zd_min之间时，其调整的策略如下

1）zd_0〉zd_1，外界光照度变小变暗，令 zd_T= zd_0-zd_1，则zd_currrent增加zd_T。

2）zd_0<zd_1，外界光照度变大变亮，令 zd_T= zd_1-zd_0，则zd_currrent减小zd_T。

每测一次zd_currrent，进行调光策略判断，若R_Real_Dim在R_Dim_0和R_Dim_1之间，则进行补光。若R_Real_Dim大于R_Dim_1，则关闭灯具，若R_Real_Dim小于R_Dim_0，则进行动态调节。根据判断结果，设置相应的PWM值，每设置相应的PWM之后，以上述同样的方法读一次R_Dim_0和R_Dim_1，算出 R_Real_Dim。

脉冲宽度调光的过程：

每改变1/256的脉冲宽度值，读一次zd_0和zd_1，测一次环境照度真实值，判断zd_currrent处于哪个范围，若处于最大值zd_max和最小值zd_min之间，则根据当前的照度值zd_currrent进行补光，若 zd_0大于zd_1时，增加1/256的脉冲宽度, 当 zd_0小于zd_1时时，减小1/256的PWM,，直到zd_0和zd_1相等。整个过程是补光的同时也在测量外界环境照度，zd_currrent才是调光策略判断的唯一标准。

本申请中，通过采用脉冲宽度调制调光电路进行光照度调节，其技术成熟，应用方便，可以快速、准确的调整整个使用中的光照，节约电能。

使用后，与之前人工控制相比，电量有所节省，管理人员有所减少，同时教学、生活等并没有因此受到影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。