摘  要：文章借助无线网络传感器，通过无线信号传输实现对户外球场灯光的智能控制，在满足用户对灯光需求的情况下，通过调节灯光亮度来达到节约电能和减少成本的目的。文章结合LED灯亮度可调节的优点，考虑户外大型篮球场的灯光控制，通过构建球场灯光控制数学模型，进而设计能够减少信号传输的分布式控制器。最后通过在中山大学新华学院数值仿真实验室进行计算机实例仿真，体现该控制方法的优势。

关键词：网络控制;灯光控制;分布式控制;能源优化

中圖分类号：TP273      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）12-0054-03

Abstract：In this paper，with the help of wireless network sensor，the intelligent control of outdoor stadium lighting is realized through wireless signal transmission. Under the condition of meeting the lighting demand of users，the purpose of saving electric energy and reducing cost is achieved by adjusting the brightness of light. In this paper，combined with the advantages of adjustable LED light brightness，considering the lighting control of outdoor large basketball court，through the establishment of the mathematical model of stadium lighting control，and then design a distributed controller which can reduce the signal transmission. Finally，the advantages of the control method are demonstrated by computer simulation in the numerical simulation laboratory of Xinhua College of Sun Yat-Sen University.

Keywords：network control;lighting control;distributed control;energy efficiency

0  引  言

近些年来，国家大力推行保护生态环境，倡导绿色、环保、节能的理念，并于2015年正式实施了《绿色建筑评价标准》，部分省市已强制要求新建民用工程必须满足一定以比例采用LED照明技术[1]。随着科学技术的发展和工艺的提高，对比传统照明光源，LED光源具有发光效率高、使用寿命长、色温范围宽、光稳定性高、冷光源、保护视力等优点。此外，LED光源不含汞和铅等有害元素，便于回收，且不会产生电磁干扰。LED光源的使用能有效降低煤炭消耗，减少二氧化碳及二氧化氮等有害气体的排放，是节能环保的绿色光源。

随着国内经济的发展，LED灯由于其节能、易控等优点被使用到各个领域，大致可分为室内灯光控制和室外灯光控制[2]。当前室内灯光控制得到了比较多的关注[3-7]。刘睿琼等在文献[3]中根据人体存在信号和环境光信号进行识别和只能判断，完成对室内照明的智能控制。文献[4]的作者设计了一套智能灯光控制系统，实现自动、手动模式转换。文献[5]中采用多传感器的集成模块来提高设备的精准性，从而很好地实现经济、节能要求。Zhang等在文献[6，7]中基于多智能体系统的控制首次提出室内灯光动态控制系统，并将系统离散化以后采用模型预测控制实现室内工作区域亮度一致。当前，全国各大城市都将大型户外公园作为城市建设的标配，从而延伸出户外大型球场灯光照明节能控制的必要性。考虑到户外球场人员流动量在傍晚时较大，白天光源熄灭，在傍晚到夜晚的过程中，随着太阳落山日光越来越暗，LED光源可作为补充光源进行使用。因此，在满足球场使用者的亮度需求情况下，对光源实行智能控制可以起到节约能源的作用。本文基于以上分析，提出以户外大型球场为例，考虑基于光传感器下日光不足的灯光控制，从而很好地实现节能效果。考虑到户外球场的灯源设计位置一般间隔较远的情况，本文提出以无线网络进行信号传输，从而实现布局简单化。但是，无线网络在处理较大数据量的时候会出现网络传输延迟以及数据包丢失的情况，针对户外较多灯源之间进行信号传输的情况，本文提出分布式的控制方法，该方法的最大好处在于可以选择需要进行信号传输的灯源，其他灯源之间不需要信号传输，这样可以大大减少网络传输的压力，保证信号传输质量。因此，分布式控制器的设计可以尽量选择在邻近光源之间互相传输信号，从而实现对球场光源亮度的调节。

1  LED光源结构

LED又叫发光二极管，LED的基本结构是由P-N结芯片、电极和光学系统构成，其中LED的核心是P-N结，当电流作用于芯片时，电子由N区向P区流动，在P区电子和空穴复合，同时将多余的能量以光子的形式释放出来。光的颜色是由形成P-N结的材料决定的，如果在P-N结中添加不同的材料，就可以产生红色、绿色、蓝色三种颜色的LED，通过调节这三种颜色的混合比例，就可以获得不同色温的各色LED光源[8，9]。目前，白光LED是光效最高的照明光源，也是室内、室外节能建筑中应用最广泛的。LED光源控制原理是通过脉宽调制控制，使得每个光源的占空比在0到1中间。当占空比为0的时候，光源呈关闭状态，当占空比为1的时候，光源达到最大亮度。由于脉宽调制的优势，使得LED光源的亮度可以通过控制器在不亮与最亮之间随意调节[4，5]。

2  基于LED灯的球场模型建立

本文将考虑六个球场的灯光联网控制，每个球场灯源位置设计如图1所示。

由文献[10，11]可知，每个LED光源可以看成是一个独立的子系统。假设第i个光源的占空比为xi（t），则有xi（t）∈[0，1]，xi（t）=0表示第i个灯不亮;xi（t）=1表示第i个灯达到最大亮度。如今社会上的大部分球场采取的是简单的人为开关控制，不仅不能很好地利用太阳光亮，而且会造成大量电力消耗，很显然已经不符合时代发展。因此，本文提出通過传感器感应光亮反馈给中央控制器来调节1号光源的亮度，而其他光源之间通过无线信号传输来同步1号光源的亮度，从而实现整个球场亮度一致的效果。

其中，xr（t）表示1号光源的所需亮度参考值，是由球场需求亮度与太阳光亮的差值计算而来;aij表示有信号从第i号光源传递到第j号光源;bi表示第i号光源从1号光源获取信号。式（3）中控制器的设计是以1号光源为调节标准，只要保证有一个光源接收1号传输的信号，其他2～24号光源就将逐步趋近1号光源的亮度，从而实现球场灯光亮度一致。此文的思想源于在多智能体系统同步控制当中，领导者与追随者之间通过信号传输，从而实现追随者与领导者状态一致。

3  案例仿真与分析

以图1中球场分布为例，为了检验以上控制方法的有效性，本文尽量采取邻近光源之间的信号传输，具体传输路线如图2所示。

通过利用MATLAB仿真，考虑到日光在傍晚时刻越来越弱，LED光源将作为补充光源越来越亮，而本文主要是为了验证控制方法的有效性，因此，在仿真中，我们采取1号光源占空比从0～0.8递增的策略，设置参数aij=10，bi=20，观察剩余2～24号光源的亮度情况。图3是各光源的数值仿真结果，从图中容易观察到各光源的亮度变化，在t=23 s时，各光源亮度达到一致。从光源亮度调节时长来看，也是普遍能接受的结果。

为了进一步验证拓扑图需要连通，我们首先将图2中2号光源与5号光源的信号传输断开，再将20号光源与23号光源连通起来，观察仿真结果的变化。在仿真参数设置不变的情况下，图4显示的是2号与5号光源断开的情况。从图4中可看出，一号、三号、五号三个球场对应的灯源都能实现控制目标，而二号、四号、六号球场对应的光源都没有调亮，正好说明在缺少信号传输的情况下，光源没法按要求调节亮度。图5显示的是将20号与23号光源连通的情况。此时，所有光源能够逐渐实现控制目标，但是与图3中的仿真结果对比发现，图5中的亮度调节更缓慢，主要是因为信号传输没有选取较近的传输路线，导致信号传输以及灯光调节产生延迟。从图4和图5的仿真结果来看，进一步验证了本文提出的分布式控制方法的有效性。

4  结  论

本文基于LED节能灯的亮度可调功能，考虑大型室外球场的灯光控制，从实际使用角度出发，在满足用户的情况下，最大限度地节约电能。同时，考虑到光源数量较大，采用集中控制需要复杂计算和大量数据传播，易造成网络瘫痪，影响灯光调控效果。因此，本文基于分布式网络控制，在不同光源之间就近传递信号，大大增强了网络稳定性。仿真效果进一步验证了理论方法有效性。未来还可进一步考虑多个光源信号发射点，信号传递策略也可进一步多样化。此外，本文的控制方法也可应用到城市路灯调控当中，路灯的位置设置决定了传输路线较长，采取在邻近光源之间进行信号传递的方式，将大大节省网络信道容量。

参考文献：

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[2] 张维.上海世博会开幕式室外灯光控制系统简介 [J].演艺科技，2010（S1）：23-25.

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作者简介：张道远（1990.04—），男，汉族，湖北襄阳人，讲师，研究生，硕士，主要研究方向：非线性系统控制、网络控制、智能体控制等。