基于ZigBee网络的烟草卷接包车间照明控制方法与流程

本发明涉及照明领域，特别是一种基于ZigBee网络的烟草卷接包车间照明控制方法。
背景技术：
：烟草行业是国民经济体系中的一个重要的产业部门，其存在和发展对于满足人们正常消费需求和增加国家财政收入都具有重要的意义和作用。卷烟厂照明智能化是智慧工厂、绿色工厂的需要，也是现代化工业的发展方向之一。烟草卷接包车间照明设计时主要根据《建筑照明设计规范》GB50034-2013、《消防应急照明和疏散指示系统》GB17945-2010、《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)、《火灾自动报警系统设计规范》GB50116—2013和《卷烟厂设计规范》YC/T9-2015等规范的要求，满足卷烟厂卷接包车间正常照度，显色指数，统一眩光值，平均照度，均匀度。烟草卷接包车间传统的照明控制系统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。这样既浪费资源，环保性差，又不能方便灵活控制。烟草卷接包车间多为矩形工业高大空间区域，其跨度一般可达30m，最大可达60m，高度一般可达15m，最高可达30m等，此类高大空间工业厂房对照明系统设计、施工提出了新的要求。车间内根据卷接包机组(工艺设备)的布局把车间分为若干区域。卷接包机组可独立工作。照明设计要考虑到保证处于工作状态的卷接包机组处于正常的照明状态。目前，卷烟厂大空间厂房的照明灯具大多采用传统的翘板或者继电器控制，即使采用智能照明系统多采用有线方式通信，通过灯具的开关来调节照度。无法实现自动调节照度和单位面积功率密度值(LPD)的监控，而且操作麻烦，使用效果不尽人意。因此，如何有效解决烟草卷接包车间的照明控制是需要认真解决的技术问题。技术实现要素：针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于ZigBee网络的烟草卷接包车间照明控制方法，可有效解决实现烟草卷接包大空间车间的自适应照明调节，以满足烟草卷接包车间照明的自适应调节问题。本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：一、安装设备：(1)、将卷接包车间内划分为A、B、C、D、E、F、G、H八个区域，每个区域又分别划分为六个子区域，在六个子区域吊顶对应车间地面投影六个区域，每个区域中间设置卷接包机组，卷接包机组周围有工作台，每个区域的6个子区域对应车间地面的6个区域；(2)、控制主机CPU、ZigBee协调器安装于控制中心，控制主机通过UART串口与ZigBee协调器相连；(3)、ZigBee路由器安装于每个分区的吊顶内，靠近走道一侧；Zigbee无线调光控制器安装在吊顶内紧挨着灯具，通过UART串口通信；(4)、ZigBee无线通信器与照度传感器安装于卷接包机周围工作台内侧边缘，距地面0.75m，躲开卷接包机，通过UART串口通信；(5)、ZigBee无线通信器和功率表安装于每个分区的照明配电柜上，ZigBee无线通信器的UART口通过接口转换器(485串口转UART串口)与功率表的485串口通信；二、设置传输设备ID，方法是：(1)、每个照度传感器和ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络，将照度值传输至控制主机CPU；(2)、每个区域功率表和ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络，将功率表的数值传输至控制主机CPU；(3)、每个灯具、Zigbee无线调光控制器和ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络能接收控制主机指令，自动调节灯具亮度；三、构建ZigBee网络平台：采用ZigBee2007/Pro协议找ZigBee网络节点，包括协调器、路由器和ZigBee无线通信器，增强网络自愈能力，协调器上电后实现自动组网、地址分配、节点管理和控制主机通信，路由器或ZigBee无线通信器自由申请入网或离网，借助路由节点的数据中转站，无线传感网络中的数据信息实现动态路由的多跳传输；四、灯具调光：当基于CC2530的ZigBee无线通信器接收到控制主机的控制指令后，提供可靠的256级PWM信号，通过调节PWM信号的占空比，基于PT4115来控制Zigbee无线调光控制器达到调光，控制LED灯的亮度；五、自适应控制方法：设备安装和灯具调光后，由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee无线通信器组成ZigBee网络，网络拓扑结构选为树状网，在该网络中终端节点上连接照度传感器、功率表和Zigbee无线调光控制器，分别用于采集车间照度值、功率值和控制灯具亮度，控制主机通过zigbee网络采集车间内照度传感器数据和功率表数据，经过计算处理，再通过zigbee网络发出控制命令至Zigbee无线调光控制器，实现对灯具的亮度、功率调节，当卷接包车间距离监控中心的距离较远时，中间可接多个路由器作为节点，控制主机对数据进行处理与保存，具体步骤是：(1)初始化：控制主机和协调器先开机，协调器初始化构建zigbee网络，路由器节点和终端节点依次加入网络，协调器依次为其分配ID，初始化构建zigbee网络通信平台，然后再依次打开分布于各区的路由器和ZigBee无线通信器的节点；(2)照度调节：当第一次调节灯具照度时，每个灯具初始化亮度为50％全亮度，非第一次调节照度时，每个灯亮度为上次调节的数值；(3)分区域调节每个区域的照度，方法是：①、先对每个区域的子区域调整，再对每个区域调整，实现整个卷接包车间的调整，并记录当前区域满足设计要求的平均照度和单位面积平均功率(LPD)；②对每个子区域照度采集、调整：控制主机发出的采集照度指令，通过zigbee协调器、路由器到达连接Zigbee无线调光控制器的ZigBee无线通信器，ZigBee无线通信器开始采集照度传感器值，然后发送照度值至路由器、协调器，然后通过UART串口传至控制主机，控制主机分别采集每个区域的子区域照度传感器的值，根据式(1)：ΔEAV＝|Ei-Eobj|≤SET，i＝1，2…，m式(1)Eobj--《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度目标值；Ei--某一子区域的当前照度；m--是某分区子区域的数量；SET--设定值，照度收敛范围；ΔEAV--当前照度与设定值的差值；依次判断每个子区域的照度是否满足要求，当不满足要求，继续调整；当满足要求，记录该子区域的照度值，控制主机发出调整指令及PWM占空比信息，经过ZigBee网络传至Zigbee无线调光控制器，每次上调或下调PWM信号占空比的幅度为5％，当接近目标照度90％时，每次调整的幅度为1～3％；(4)、判断每个区域的平均照度和LPD是否满足要求，根据式(2)判断X区的照度是否满足要求；Et--是某一分区域的平均照度；Ej--是某分区各子区域的照度；m--是某分区子区域的数量；根据公式(3)判断X区的单位面积平均功率(LPD)是否满足要求；LPDi＝Pi/S；i＝A，B，C，D，E，F，G，H式(3)LPDi--卷接包车间内某分区的LPD，单位：W/m2；Pi--是某分区的功率；S--是某分区的面积，单位m2；若这两项同时满足要求满足，则每个区域平均照度及LPD满足设计要求，记录该区域的功率和子区域的照度值，计算单位面积平均功率(LPD)和平均照度值，否则重新调整；(5)判断烟草卷接包车间的平均照度和LPD是否满足要求：每个区域全部调整完毕，再判断整个烟草卷接包车间的照度和LPD是否满足要求，当这两项同时满足时，则卷接包车间照度及LPD满足要求，计算并记录单位面积平均功率(LPD)和平均照度值，进入休眠状态；否则重新调整，直到满足要求；烟草卷接包车间的照度满足要求的计算公式是：f4--卷接包车间的平均照度；Ej--是卷接包车间各分区的平均照度；m--是某分区子区域的数量；烟草卷接包车间的单位面积平均功率(LPD)满足要求的计算公式是：Pi--卷接包车间某分区的功率；LPDobj--《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值；n--车间内分区的数量；St--车间整个面积，单位m2；ΔLPDav—当前LPD与《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值的差值；(6)维持烟草卷接包车间照度和LPD，记录烟草卷接包车间内灯具的工作状态和LPD值，作为下次车间灯具启动的初始值；(7)在调整照度完毕后，每个区域60分钟采样一次，判断每个区域内的平均照度和LPD值是否满足要求，当满足，则维持该区域的照度，进入休眠状态；当不满足要求，调整该区域照度值，直至达到要求；(8)为便于调节照度，在满足LPD不超过《建筑照明设计规范》GB50034-2013规定数值的情况下，整个车间平均照度宜高于规定照度的20％，这样既扩大照度调节范围，在有光衰和环境因素变化情况下，又能将照度调节至符合规定要求的照度，从而实现烟草卷接包车间照明的自适应控制。本发明方法独特先进，易安装操作使用，可使车间内平均照度和LPD快速收敛，达到节能、环保和自动调节照度之目的，有巨大的经济和社会效益。附图说明图1为本发明基于ZigBee的卷接包车间照明自动控制方法设备框式连接示意图。图2为本发明卷接包车间照明区域划分示意图。图3为本发明子区域与地面分区对应关系示意图图4为本发明卷接包车间照明自动控制方法流程图。图5为本发明LPD与照度的关系图。具体实施方式以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。由图1-4所示，本发明在具体实施中，包括以下步骤：一、安装设备：(1)、将卷接包车间内划分为A、B、C、D、E、F、G、H八个区域，每个区域又分别划分为六个子区域(如图2所示)，在六个子区域吊顶对应车间地面投影六个区域，每个区域中间设置卷接包机，卷接包机周围有工作台，以A区为例，A1～A66个子区域对应车间地面的S1～S66个区域(如图3)，其余B、C、D、E、F、G、H区的分区方法与A区相同；(2)、控制主机CPU、ZigBee协调器安装于控制中心，控制主机通过UART串口与ZigBee协调器相连；(3)、ZigBee路由器安装于每个分区的吊顶内，靠近走道一侧；Zigbee无线调光控制器安装在吊顶内紧挨着灯具，通过UART串口通信；(4)、ZigBee无线通信器与照度传感器安装于卷接包机周围工作台内侧边缘，距地面0.75m，躲开卷接包机，通过UART串口通信；(5)、ZigBee无线通信器和功率表安装于每个分区的照明配电柜上，ZigBee无线通信器的UART口通过接口转换器，485串口转UART串口与功率表的485串口通信；二、设置传输设备ID，方法是：(1)、每个照度传感器，照度量程为1-1000Lx，分辨率为1Lx，与ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络，将照度值传输至控制主机CPU；(2)、每个区域功率表和ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络，将功率表的数值传输至控制主机CPU；(3)、每个灯具、Zigbee无线调光控制器和ZigBee无线通信器分配一个ID，通过zigbee网络能接收控制主机指令，自动调节灯具亮度；三、构建ZigBee网络平台：采用ZigBee2007/Pro协议找ZigBee网络节点，包括协调器、路由器和ZigBee无线通信器，增强网络自愈能力，协调器上电后实现自动组网、地址分配、节点管理和控制主机通信，路由器或ZigBee无线通信器自由申请入网或离网，借助路由节点的数据中转站，无线传感网络中的数据信息实现动态路由的多跳传输；四、灯具调光：当基于CC2530的ZigBee无线通信器接收到控制主机的控制指令后，提供可靠的256级PWM信号，通过调节PWM信号的占空比，基于PT4115来控制Zigbee无线调光控制器达到调光，控制LED灯的亮度；五、自适应控制方法：设备安装和灯具调光后，由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee无线通信器组成ZigBee网络，网络拓扑结构选为树状网，在该网络中终端节点上连接照度传感器、功率表和Zigbee无线调光控制器，分别用于采集车间照度值、功率值和控制灯具亮度，控制主机通过zigbee网络采集车间内照度传感器数据和功率表数据，经过计算处理，再通过zigbee网络发出控制命令至Zigbee无线调光控制器，实现对灯具的亮度、功率调节，当卷接包车间距离监控中心的距离较远时，中间可接多个路由器作为节点，控制主机对数据进行处理与保存，具体步骤是：(1)初始化：控制主机和协调器先开机，协调器初始化构建zigbee网络，路由器节点和终端节点依次加入网络，协调器依次为其分配ID，初始化构建zigbee网络通信平台，然后再依次打开分布于各区的路由器和ZigBee无线通信器的节点，顺序是A、B、C、D、E、F、G、H区；(2)照度调节：当第一次调节灯具照度时，每个灯具初始化亮度为50％全亮度，非第一次调节照度时，每个灯亮度为上次调节的数值；(3)分区域调节X区域照度，X＝A，B,…G、H，方法是，：①、先对每个区域的子区域调整，再对每个区域调整，实现整个卷接包车间的调整，并记录当前区域满足设计要求的平均照度和单位面积平均功率(LPD)；②对X子区域照度采集、调整：控制主机发出的采集照度指令，通过zigbee协调器、路由器到达连接Zigbee无线调光控制器的ZigBee无线通信器，ZigBee无线通信器开始采集照度传感器值，然后发送照度值至路由器、协调器，然后通过UART串口传至控制主机，控制主机分别采集每个区域的子区域照度传感器的值，根据式(1)：ΔEAV＝|Ei-Eobj|≤SET，i＝1，2…，m式(1)Eobj--《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度目标值；Ei--某一子区域的当前照度；m--是某分区子区域的数量；SET--设定值，照度收敛范围；ΔEAV--当前照度与设定值的差值；根据公式(1)依次判断X1～X6区的照度是否满足要求，当不满足要求，继续调整；当满足要求，记录该子区域的照度值，控制主机发出调整指令及PWM占空比信息，经过ZigBee网络到达调光模块，每次上调或下调PWM信号占空比的幅度为5％，当接近目标照度90％时，每次调整的幅度为1～3％；(4)、判断X区的平均照度和LPD是否满足要求，根据式(2)判断X区的照度是否满足要求；Et--是某一分区域的平均照度；Ej--是某分区各子区域的照度；m--是某分区子区域的数量；根据公式(3)判断X区的单位面积平均功率(LPD)是否满足要求；LPDi＝Pi/S；i＝A，B，C，D，E，F，G，H式(3)LPDi--卷接包车间内某分区的LPD，单位：W/m2；Pi--是某分区的功率；S--是某分区的面积，单位m2；若这两项同时满足要求满足，则X区平均照度及LPD满足设计要求，记录此刻的X区的功率和X1～X6区的照度值，计算单位面积平均功率(LPD)和平均照度值，否则重新调整；(5)判断烟草卷接包车间的平均照度和LPD是否满足要求：按照第(4)步调整X区照度及功率密度调整方法依次调节B、…G、H，待A～H区全部调整完毕，根据公式(4)判断整个车间的照度是否满足要求；根据公式(5)判断车间的单位面积平均功率(LPD)是否满足要求；若这两项同时满足要求满足，则卷接包车间照度及LPD满足要求，计算并记录单位面积平均功率(LPD)和平均照度值，进入休眠状态；否则重新调整，直到满足要求；烟草卷接包车间的照度满足要求的计算公式是：f4--卷接包车间的平均照度；Ej--是卷接包车间某分区的平均照度；m--是卷接包车间分区的数量；烟草卷接包车间的单位面积平均功率(LPD)满足要求的计算公式是：Pi--卷接包车间某分区的功率；LPDobj--《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值；n--车间内分区的数量；St--车间整个面积，单位m2；ΔLPDav--当前LPD与《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值的差值；(6)维持烟草卷接包车间照度和LPD，记录烟草卷接包车间内灯具的工作状态和LPD值，作为下次车间灯具启动的初始值；(7)在调整照度完毕后，每个区域60分钟采样一次，判断每个区域内的平均照度和LPD值是否满足要求，当满足，则维持该区域的照度，进入休眠状态；当不满足要求，调整该区域照度值，直至达到要求；(8)为便于调节照度，在满足LPD不超过《建筑照明设计规范》GB50034-2013规定数值的情况下，整个车间平均照度宜高于规定照度的20％，这样既扩大照度调节范围，在有光衰和环境因素变化情况下，又能将照度调节至符合规定要求的照度，从而实现烟草卷接包车间照明的自适应控制。所述的控制主机(CPU)型号为正点原子新战舰V3STM32F103ZET6开发板；所述的ZigBee协调器、路由器和无线通信器为2.4G无线射频通信收发模块，采用CC2530芯片；厦门卓万电子科技有限公司。所述的Zigbee无线调光控制器为2.4G调光驱动模块，型号:TRK-E-201；采用PT4115芯片；深圳市宝安区西乡欧耀科技照明有限公司；所述的功率表型号为CAKJ-42Z14A有功电度表，485接口通信接口，上海仪歌电气有限公司；所述的照度传感器型号为GZD-W2-1000，测量范围:0～1000Lux，分辨率：1Lux，无线联科技股份有限公司；所述的485串口转UART串口模块，深圳市优信电子科技有限公司。本发明经试验和实地应用，取得了非常好的有益技术效果，具有很强的实用价值，有关试验情况如下：1、先测试LPD与平均照度的对应关系。在没有连接无线网络情况下，测试不同LPD情况下的平均照度值。本实验中，因为每个区域的灯具布置以及工艺设备格局一样,所以A区为例进行测试。测试点现在工作台距地面0.75m处，躲开工艺设备(设置位置随机选择)，测得平均照度和LPD的关系数据如表1不同LPD下的平均照度所示，照度计采用泰仕1330A照度计，用Matlab对数据进行仿真并利用拟合工具得出拟合方程式和拟合关系曲线图如图5LPD与照度对应关系图所示。图5LPD与照度对应关系图表明：车间照度照度随着LPD(占空比)的增大而增大，照度的增大变慢，LED与电流的非线性的关系。当LPD(占空比)处于1.6-2.5之间时，照度随着LPD(占空比)增大的速度加快；当LPD(占空比)处于5-1.35之间时，照度的变化率下降速率减小。当新的LED灯刚安装完毕时，在没有达到额定功率时就能达到很高的照度，满足车间照明的需要。灯具光衰随着时间的推移而加深，为了维持正常照度需增加灯具的实际输出功率，即增加LPD。车间灯具安装的初期LPDobj的数值9.5时就能够使卷接包车间的照度满足平均照度(500Lux±10％)设计要求。随时间推移为了满足正常照度值，LPDobj的设定值逐步加大，直到LPD≥13.5W/m2灯具的照度还无法满足正常照度时更换新的。表1不同LPD下的平均照度LPD(W/m2)平均照度(Lux)1.7892.62.04131.592.55148.53.51176.54.21201.714.93235.95.76281.516.45324.047.23362.47.82393.98.45425.88.99460.069.71488.210.12515.0110.63545.3311.14572.9211.55597.5511.94613.9812.41630.6112.84647.0313.21652.512、车间照度实验结果根据《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度标准值为500lux,LPD≤13.5W/m2。例如，当设定LPDobj＝10W/m2，Eobj＝500Lux，ΔLPDAV≤0时，针对不同的ΔEAV测试结果，见表2灯具自动调节测试结果。测试结果表明：测量数据完全满足《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度标准值和LPD值。表2灯具自适应调节测试结果SETΔLPDAVEt(Lux)LPDt(W/m2)Eobj(Lux)LPDobj(W/m2)10≤05089.65001015≤04969.25001020≤05039.55001015≤04939.25001030≤05169.850010注：(1)SET--设定值，照度收敛范围；(2)ΔLPDAV是《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值与当前LPD的实际的差值。反映当前LPD与设定LPD的接近程度。应小于等于零时满足设定要求；(3)Et是卷接包车间的平均照度；(4)LPDt是卷接包车间的LPD；(5)Eobj是根据《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度标准值；(6)LPDobj是不超过《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的LPD值。本发明方法易操作使用，使卷接包车间平均照度和单位面积的平均功率密度(LPD)都不超过《建筑照明设计规范》GB50034-2013所规定的平均照度和LPD目标值。车间内自然采光与室内照明结合，保证工作面正常照度为500(±10％)Lux左右，LPD越低越好，节能环保，实现“人来灯亮，人走灯灭”或“人来灯亮，人走灯暗”，光敏传感器结合自然光的恒照度照明，各种灯光场景设定，定时、分时与分区照明，抵御电网波动与浪涌等一系列照明控制策略，可实现照明节能与呵护光源。在照明智能控制领域，节能率可达30％～75％，延长光源寿命2～4倍。本发明方法还可适用于道路照明领域，经试用，一般节能率约15％～30％，用途广，是照明控制上的一大创新，经济和社会效益巨大。当前第1页1 2 3