一種led路燈智能控制器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種LED路燈智能控制器及控制方法，所述LED路燈智能控制器，包括電源、光敏傳感器、取樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈；所述光敏傳感器、取樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器構(gòu)成自然光照測量系統(tǒng)，所述微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈構(gòu)成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明與已有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：能根據(jù)黃昏時(shí)分自然光照強(qiáng)度特征，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED路燈光照強(qiáng)度，充分利用自然光，在保證整體光照強(qiáng)度（即LED路燈光照與自然光照之和）不變的前提下，降低了LED路燈的能耗。
【專利說明】
一種LED路燈智能控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于路燈，具體涉及一種LED路燈控制器及控制方法。 技術(shù)背景
[0002] 目前，LED路燈在道路照明、城市亮化工程等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，其控制方式 大多為分為人工控制或定時(shí)控制兩類。這兩種控制方式簡單，但存在明顯缺陷:不能根據(jù)天 氣情況或外界自然光情況自動(dòng)調(diào)節(jié)LED路燈的光照強(qiáng)度，從而造成電能浪費(fèi)。為解決這個(gè)問 題，許多學(xué)者和工程師進(jìn)行了大量的研究工作，試圖降低LED路燈的能耗。陳曉艷等利用 GPRS和ZigBee設(shè)計(jì)了一種LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)（"基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)"，陳曉艷、高偉、秦歡，《電子測量技術(shù)》，2013年10月），李蓮等利用模糊控制方法 設(shè)計(jì)了LED路燈三級(jí)節(jié)能控制方法(全功率、半功率、全關(guān)閉"基于模糊控制的LED路燈控 制系統(tǒng)的理論研究"，李蓮、李立，《照明工程學(xué)報(bào)》，2012年4月），劉春玲等利用LED驅(qū)動(dòng)芯片 HV9910設(shè)計(jì)了LED路燈自適應(yīng)調(diào)光電路（"LED路燈自適應(yīng)調(diào)光無線控制器"，劉春玲、王道 乾、崔文沖，《遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版），2015年1月）。這些方法能在一定程度 上降低LED能耗，但是控制方式過于簡單，節(jié)能效果有待進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種LED路燈控制器及控制方法， 能根據(jù)黃昏時(shí)分自然光照強(qiáng)度緩慢變?nèi)醯奶卣鳎赃m應(yīng)地控制LED路燈光照逐漸變強(qiáng)，補(bǔ)償 整體光照強(qiáng)度，保持整體光照強(qiáng)度不變，充分利用自然光，以達(dá)到節(jié)能的目的。
[0004] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0005] 本發(fā)明提供的LED路燈控制器，包括電源、光敏傳感器、取樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈;所述光敏傳感器、取樣電路、信 號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器構(gòu)成自然光照測量系統(tǒng)，所述微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED 路燈電源和LED路燈構(gòu)成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);光敏傳感器用于檢測外界自然光的光照強(qiáng)度， 由取樣電路將自然光的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為取樣電壓;取樣電壓輸入到信號(hào)調(diào)理電路放大處理 后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至微處理器，獲得自然光照 強(qiáng)度的數(shù)字信息;微處理器根據(jù)自然光照強(qiáng)度的數(shù)字信息產(chǎn)生不同脈寬的脈寬調(diào)制信號(hào)， 并將此ΠΜ信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器；由驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)周期內(nèi)LED電源有效輸出的時(shí)間長短，從 而控制LED電源的電流輸出大小;通過LED電源的電流輸出大小，調(diào)節(jié)LED路燈的發(fā)光強(qiáng)度。
[0006] 本發(fā)明提供的LED路燈控制方法，包括以下步驟：
[0007] -、利用自然光照測量系統(tǒng)完成自然環(huán)境光照強(qiáng)度測量，獲得自然光照強(qiáng)度；
[0008] 二、求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差；
[0009] 三、以補(bǔ)償后光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差為輸入，利用光照測量逆模型，獲得 LED路燈驅(qū)動(dòng)器的控制量；
[0010]四、LED路燈驅(qū)動(dòng)器在控制量的作用下，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)、發(fā)光，此時(shí)LED路燈的發(fā) 光量即可補(bǔ)償自然光。
[0011] 所述步驟二是利用MATLAB軟件和數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣數(shù)值計(jì)算方法，構(gòu)建光 照測量模型并實(shí)現(xiàn)光照測量系統(tǒng)的非線性誤差補(bǔ)償，同時(shí)構(gòu)建光照測量逆模 型u = f2 = f(lx)，利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì)光照測量逆模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得光照測量逆模型 的參數(shù);利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì)光照測量模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得光照測量模型的參數(shù)，并完成 輸入(u)與輸出（lx)之間非線性誤差補(bǔ)償，步驟如下：
[0012] 1)根據(jù)數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)的變化趨勢，以 lx = fi = ao+aiu+a2U2+a3U3+a4U4+a5U5和u = f2 = bo+bilx+b2lx2+b3lx3+b4lx4+b5lx 5為核函數(shù)，分別逼近光照測量模型和光照測量逆模 型，其中，ao,…，a5，bo,…，b5分別為光照測量模型和光照測量逆模型的系數(shù)；
[0013] 2)利用MATLAB軟件和數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣最小二乘法，求解系數(shù)ao,…，a5， bo,··· ,b5；
[0014] 3)利用光照測量系統(tǒng)，獲得采樣電壓u，將采樣電壓u與參數(shù)ao，-_，a5R入函數(shù)h (即光照測量模型），求得自然光照強(qiáng)度1χ;
[0015] 4)求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差Δ 1χ;
[0016] 所述步驟三的控制量，按照以下步驟獲得；
[0017] 1)光照強(qiáng)度之差Δ 1χ為輸入，將Δ 1χ與參數(shù)bo，…，135代入函數(shù)f2，獲得光照測量逆 模型的輸出電壓u;
[0018] 2)以光照測量逆模型輸出電壓u為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的輸入變量，通過微處理 器的PWM功能，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，其控制算法如下：
[0019]
[0020] 式（1)中，z?(u)為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制量，CmaALED的最大控制量(在這里， Cmax為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓），Ln為當(dāng)前的自然光照強(qiáng)度，La為啟動(dòng)LED自適應(yīng)控制的閾值； U為關(guān)閉LED自適應(yīng)控制的閾值，La、Lb的值可根據(jù)LED路燈應(yīng)用環(huán)境與要求進(jìn)行設(shè)置，在這 里，L a、Lb的值設(shè)置為La = 0.9Lnave，Lb = 0.1 Lnave，其中，Lnave為16:00-17:00時(shí)分的平均光照 強(qiáng)度。
[0021]本發(fā)明與已有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：能根據(jù)黃昏時(shí)分自然光照強(qiáng)度特征，自動(dòng)調(diào) 節(jié)LED路燈光照強(qiáng)度，充分利用自然光，在保證整體光照強(qiáng)度（即LED路燈光照與自然光照之 和)不變的前提下，降低了 LED路燈的能耗。
[0022]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的LED路燈控制器電路原理框圖。
[0024]圖2是LED路燈光照強(qiáng)度控制原理框圖。
[0025] 圖3為光照測量逆模型構(gòu)建的流程圖。
[0026] 圖4為光照測量模型構(gòu)建的流程圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0027]見圖1、圖2,本發(fā)明提供的LED路燈控制器，包括電源、光敏傳感器、取樣電路、信號(hào) 調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈;所述光敏傳感器、取 樣電路、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器構(gòu)成自然光照測量系統(tǒng)，所述微處理器、驅(qū) 動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈構(gòu)成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);光敏傳感器用于檢測外界自然光的光 照強(qiáng)度，通過導(dǎo)線將光敏傳感器與取樣電路的取樣電阻并聯(lián)，由取樣電路將自然光的光照 強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為取樣電壓;將取樣電壓輸入到信號(hào)調(diào)理電路放大處理后，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， 將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸至微處理器，獲得自然光光照強(qiáng)度的數(shù)字信息;利用 存儲(chǔ)在微處理器中的LED路燈光強(qiáng)自動(dòng)控制程序，根據(jù)外界自然光的光照強(qiáng)度信息，產(chǎn)生不 同脈寬的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào)），通過微處理器的I/〇輸出引腳，輸出PWM信號(hào);并將此PWM 信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，控制一個(gè)周期內(nèi)LED電源有效輸出的時(shí)間長短，從而控制LED電源的電 流輸出大小;LED電源直接接在LED路燈上，通過LED電源的電流輸出大小，調(diào)節(jié)LED路燈的發(fā) 光強(qiáng)度。
[0028] 本實(shí)施例中，光敏傳感器采用光敏電阻，微處理器采用高性能單片機(jī)STM32F103， 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用STM32F103內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，LED路燈驅(qū)動(dòng)器采用現(xiàn)有的專用驅(qū)動(dòng)芯 片。
[0029] 本發(fā)明提供的LED路燈控制方法，具體實(shí)施步驟如下：
[0030] -、利用自然光照測量系統(tǒng)完成自然環(huán)境光照強(qiáng)度測量，獲得自然光照強(qiáng)度：
[0031] 利用光照測量系統(tǒng)、光照強(qiáng)度儀等，采集黃昏時(shí)分（17:00-19:00)不同光照強(qiáng)度 lxi下的自然光照強(qiáng)度和采樣電壓ui，采樣間隔為1分鐘，獲得光照測量模型與光照測量逆 模型建模的數(shù)據(jù)樣本(lxi，ui);
[0032] 二、求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度（即前一時(shí)刻的補(bǔ)償后光照強(qiáng)度)與自然光照強(qiáng)度之 差：
[0033]利用MATLAB軟件和數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣最小二乘法(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等數(shù)值計(jì) 算方法），構(gòu)建光照測量模型lxifiigU)并實(shí)現(xiàn)光照測量系統(tǒng)的非線性誤差補(bǔ)償，同時(shí)構(gòu) 建光照測量逆模型u = f2 = f(lx)，利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì)光照測量逆模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得 光照測量逆模型的參數(shù);利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì)光照測量模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得光照測量模 型的參數(shù)，并完成輸入(u)與輸出（lx)之間非線性誤差補(bǔ)償，步驟如下(參見圖3、圖4):
[0034] 1)根據(jù)數(shù)據(jù)樣本(lxi，ui)的變化趨勢，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，5次多項(xiàng)式函數(shù)逼近數(shù)據(jù)樣本變 化趨勢的效果最佳，即以 lx = f 1 = ao+aiu+a2U2+a3U3+a4U4+a5U5 和u = f2 = bo+bilx+b2lx2+b3lx3 +b4lx4+b5lx5為核函數(shù)，分別逼近光照測量模型和光照測量逆模型，其中，av，a 5，bv，b5 分別為光照測量模型和光照測量逆模型的系數(shù)；
[0035] 2)利用MATLAB軟件和數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣最小二乘法，求解系數(shù)ao，···，a 5， 13〇，."，匕5，分別為：&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] 將光照測量逆模型的參數(shù)保存在微處理器中，為在線控制做準(zhǔn)備；
[0037] 3)實(shí)際在線工作時(shí)，利用光照測量系統(tǒng)，獲得采樣電壓u，將采樣電壓u與參數(shù) &〇，一， &5代入函數(shù)h(即光照測量模型），求得自然光照強(qiáng)度lx;
[0038] 4)求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度（即前一時(shí)刻的補(bǔ)償后光照強(qiáng)度）與自然光照強(qiáng)度之 差 Alx;
[0039] 三、以補(bǔ)償后光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差為輸入，利用光照測量逆模型，獲得 LED路燈驅(qū)動(dòng)器的控制量；
[0040] 1)光照強(qiáng)度之差Δ?χ為輸入，將Δ?χ與參數(shù)bo，-_，b5R入函數(shù)f 2(即光照測量逆模 型），獲得光照測量逆模型的輸出電壓u;
[0041 ] 2)以光照測量逆模型輸出電壓u為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的輸入變量，通過微處理 器STM32F103的PWM功能，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，其控制算法如下：
[0042]
[0043] 式中，z?(u)為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制量，CmaALED的最大控制量(在這里，Cmax 為STM32F103內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，即Cmax = 2.5V)，Ln為當(dāng)前的自然光照強(qiáng)度，La為啟 動(dòng)LED自適應(yīng)控制的閾值;Lb為關(guān)閉LED自適應(yīng)控制的閾值。La、Lb的值可根據(jù)LED路燈應(yīng)用環(huán) 境與要求進(jìn)彳丁設(shè)置。在這里，La、Lb的值設(shè)置為La = 0 · 9Lnave，Lb = 0 · ILnave，其中，Lnave為16: 00-17:00時(shí)分的平均光照強(qiáng)度；
[0044]四、LED路燈驅(qū)動(dòng)器在控制量的作用下，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)、發(fā)光，此時(shí)LED路燈的發(fā) 光量即可補(bǔ)償自然光。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種LED路燈智能控制器，其特征是包括電源、光敏傳感器、取樣電路、信號(hào)調(diào)理電 路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、LED路燈電源和LED路燈;所述光敏傳感器、取樣電路、 信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器構(gòu)成自然光照測量系統(tǒng)，所述微處理器、驅(qū)動(dòng)器、 LED路燈電源和LED路燈構(gòu)成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);光敏傳感器用于檢測外界自然光的光照強(qiáng) 度，由取樣電路將自然光的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為取樣電壓;取樣電壓輸入到信號(hào)調(diào)理電路放大 處理后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至微處理器，獲得自然 光照強(qiáng)度的數(shù)字信息;微處理器根據(jù)自然光照強(qiáng)度的數(shù)字信息產(chǎn)生不同脈寬的脈寬調(diào)制信 號(hào)，并將此PWM信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器；由驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)周期內(nèi)LED電源有效輸出的時(shí)間長短， 從而控制LED電源的電流輸出大??；通過LED電源的電流輸出大小，調(diào)節(jié)LED路燈的發(fā)光強(qiáng) 度。2. -種LED路燈控制方法，其特征是包括以下步驟： 步驟1.利用自然光照測量系統(tǒng)完成自然環(huán)境光照強(qiáng)度測量，獲得自然光照強(qiáng)度； 步驟2.求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差； 步驟3.以補(bǔ)償后光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差為輸入，利用光照測量逆模型，獲得LED 路燈驅(qū)動(dòng)器的控制量； 步驟4. LED路燈驅(qū)動(dòng)器在控制量的作用下，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)、發(fā)光，此時(shí)LED路燈的發(fā) 光量即可補(bǔ)償自然光。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的LED路燈控制方法，其特征是所述步驟2是利用MATLAB軟件和 數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣數(shù)值計(jì)算方法，構(gòu)建光照測量模型lxifiigU)并實(shí)現(xiàn)光照測量 系統(tǒng)的非線性誤差補(bǔ)償，同時(shí)構(gòu)建光照測量逆模型u = f2 = f(lx)，利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì) 光照測量逆模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得光照測量逆模型的參數(shù);利用采集的數(shù)據(jù)樣本對(duì)光照測量 模型進(jìn)行訓(xùn)練，獲得光照測量模型的參數(shù)，并完成輸入U(xiǎn))與輸出（Ix)之間非線性誤差補(bǔ) 償，步驟如下： 1) 根據(jù)數(shù)據(jù)樣本(lxi，ui)的變化趨勢，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為核函 數(shù)，分別逼近光照測量模型和光照測量逆模型，其中，加，一，&5，13()，~，135分別為光照測量模 型和光照測量逆模型的系數(shù)； 2) 利用MATLAB軟件和數(shù)據(jù)樣本（lxi，ui)，采樣最小二乘法，求解系數(shù)ao，…，a5，bo，…， bs ； 3) 利用光照測量系統(tǒng)，獲得采樣電壓u，將采樣電壓u與參數(shù)aortas代入函數(shù)心（即光 照測量模型），求得自然光照強(qiáng)度Ix; 4) 求出設(shè)定的整體光照強(qiáng)度與自然光照強(qiáng)度之差△ lx。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED路燈控制方法，其特征是所述步驟3的控制量，按照以下步 驟獲得； 1) 光照強(qiáng)度之差A(yù) Ix為輸入，將Δ Ix與參數(shù)bo,…，135代入函數(shù)f2,獲得光照測量逆模型 的輸出電壓u; 2) 以光照測量逆模型輸出電壓u為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的輸入變量，通過微處理器的 PWM功能，完成LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，其控制算法如下：式（1)中，z?(u)為LED路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制量，Cmax為LED的最大控制量，U為當(dāng)前的自 然光照強(qiáng)度，La為啟動(dòng)LED自適應(yīng)控制的閾值;Lb為關(guān)閉LED自適應(yīng)控制的閾值，L a、Lb的值可 根據(jù)LED路燈應(yīng)用環(huán)境與要求進(jìn)行設(shè)置，在這里，La、Lb的值設(shè)置為L a = O . 9Lnave，Lb = O· ILnave，其中，Lnave為16:00-17:OO時(shí)分的平均光照強(qiáng)度D
【文檔編號(hào)】H05B33/08GK105934042SQ201610472357
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月25日
【發(fā)明人】林海軍, 賴小強(qiáng), 蘭浩, 楊進(jìn)寶, 彭可, 李仲陽, 楊艷華
【申請(qǐng)人】湖南師范大學(xué)