停车场情景应用的照明智能控制网络.pdf

2011 年 8 月 第 22 卷第 4 期 照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Aug2011 Vol. 22No. 4 停车场情景应用的 LED 照明智能控制网络 林青海 1 张学智 2 陈源庆 2 ( 1. 台湾经济部技术处，台湾300;2. 台湾工业技术研究院电光所，台湾 312) 摘要:停车场是社会中常见的建筑空间，不论是户外或是室内的形式，但是对停车场的照明光环境却有着相互抵 触的需求，我们需要足够的亮度来维护驾驶行车与行人步行的安全需要，但是大部分的时间却可能不会有人进出 或是经过，虚耗了点灯的能源，而持续过亮的照明却也会对周遭的住户形成夜间的光害。因此为了改善这种矛盾的 情况，利用 LED 灯具规划照明的情景再搭配智慧控制的技术将可以做为最佳的解决方案。 关键词:网络;照明;停车场 Intelligent Control Network for LED Lighting Applied in a Car Park Lin Qinghai1Zhang Xuezhi2Chen Yuanqing2 ( 1. The Department of Industrial Technology ( DoIT)of the Ministry of Economic Affairs ( MOEA) ，Taiwan300; 2. Electronics and Optoelectronics Research Laboratories ( EOL)of Industrial Technology Research Institute ( ITRI) ，Taiwan312) Abstract The car park is a usual building in the city The needs for the lighting in a car park are conflicting People would like enough luminance for the safety of driving and walking In the other hand，keeping high brightness long time at night will cause the light pollution and waste the energy especially for the time without any activities The best solution to the situation is the combination of the LED lighting and the intelligent controlling technology Key words:network;lighting;car park 1前言 停车场光环境有着相互矛盾的需求，需要足够 亮度来维护驾驶行车与行人的安全，但是无人出入 的时间虚耗了点灯的能源也形成夜间的光害。随着 LED 光源与 LED 灯具的发展逐渐成熟，结合模块化 的 LED 灯具与智能化的照明网络控制监控系统，将 是一种未来的发展趋势。本系统利用照明情境的设 计、LED 灯具光强度可调控的特性结合应用于路灯 的广域路灯监控系统技术，可达到节能省电、智能 化自动控制、节约人力和时间的目的。 2照明需求 在停车场中需要的照度值在 CNS12112 照度 标准 中有相关的建议，如图 1 所示，室内停车场 车道需要的照度值约在 100 300 Lux 之间，停车格 位置需要的照度约在 30 100 Lux 之间。目前使用 的荧光灯具是 46 盏 90W 的荧光灯具，耗电量约在 4100W。 作为照明灯具的 LED 灯具，外形如图 2 ( a) 与图 2 ( b)所示，图中之灯具用电为 30W。 不同设计的使用情境来控制灯具的点灭， 使灯 第 22 卷第 4 期林青海等:停车场情境应用的 LED 照明与智能控制网络61 图 1CNS 12112 照度标准之表 10 停车场照度基准 具不必一直维持在全部点亮或者是全负载的状态之 下。灯具的配置规划如图 3 所示，蓝格表示用以提 供停车格需要的光，需要灯具 21 盏;绿格的灯具用 在车道的转角处与出入口提供固定的照明以维护行 车安全，需要灯具 7 盏;红格的灯具用在提供车道 上的照明，需要的灯具 24 盏。整体的灯具数目为 53 盏，总灯具功率为 1590W。 3停车场网络架构 如图 4 所示为室内的立体停车场的网络布置图， 为配合停车场照明使用情景，需使用到的感测组件 有 i-Socket 电力计、微波传感器、亮度传感器。i- socket 负责量测某一电力线回路上所使用的电压、 电流、 耗功， 并将值透过电力线回传到照明控制器 图 2 图 3停车场平面的灯具配置方式 ( gateway)再告知监控主机，做为耗电统计与 LED 灯具故障判断的依据 ( 此处以电流差异为故障侦测 依据) ，一个 i-socket 经过的回路电流大约为 30A， i-socket 数目设置多寡必须依据回路电流与故障侦测 灯具范围大小决定，若以成本考虑，一层楼的 41 盏 灯大约耗电流 10A 左右，则只需一个 i-socket 即可， 但考虑到灯具故障侦测范围与电流精细度，以 10 盏 灯为一个错误侦测范围，则需大约 4 个 i-socket 左 右，因此 i-socket 的数量配置多寡需要依据成本、 回路电流、故障侦测灯具范围大小决定。 微波传感器主要负责侦测人车活动，微波传感 器侦测到人车活动后，会透过电力线回路告诉照明 控制器，照明控制器内部有 mapping table 对应某些 微波传感器对应控制某些 LED 灯具，当照明控制器 接收到微波传感器所传送的值后，会将其对应的 LED 灯具亮度调到事前由监控主机所设定的最大亮 度，等待计时一段时间后，再将对应的 LED 灯具亮 度调到事前由监控主机所设定的最低亮度 ( 须符合 法规) ，若其间一直有人车移动持续触发微波传感 器，则计时时间会重复复归。需注意的是由微波传 感器侦测到人车移动再到 LED 灯具调控完毕，会有 62照明工程学报2011 年 8 月 图 4停车场网络规划架构 秒差，若秒差大于一秒，人会感受到延迟现象。因 此微波传感器所控制的 LED 灯具数目、秒差与照明 情境的设计需要详细搭配考虑。微波传感器的动作 一般在 local 端的照明控制器就会解决，至于需不需 要告知监控主机则由系统需求决定，若系统需要知 道人车进出频繁数、车辆统计等需求，则照明控制 器需将微波感测计信息回传给监控主机。 亮度传感器主要负责侦测周边环境照度，其信 息可做为自动调光、开关 LED 灯具、LED 灯具寿命 侦测等功能，自动侦测周遭环境自然光以调节 LED 灯具亮度，可达到节能省电的目的。而系统可在某 个时间，将所有 LED 灯具 PWM 强度调到固定值， 此时亮度传感器量测到的照度值可做为 LED 灯具光 源寿命的依据。 4系统网络布建 传统自动控制网络布建中，受限于人员、技术、 成本等因素，常倾向于使用单一通讯技术来解决所 有问题，结果经常是不尽理想。以灯光情境控制为 例，传统 的 灯 光 控 制 网 络 多 以 双 绞 线 ( Twisted- pair)总线技术来进行控制布建，然而这种方式受 限于电气讯号的衰减，距离、可控制节点数量与网 络拓璞结构都受到很大的限制。本网络系统架构结 合 PLC 电力线通讯与 WSN 无线感测网络技术，取 代旧式的双绞线总线，来进行灯光网络控制。由于 PLC 电力线通讯网路、在长距离传输的情况下造成 讯号衰减，原因包括电力线粗细与老旧。 本系统将动态侦测信号衰减的程度，建立一等 同 Repeater 作用的路由传输。当电力回路有大的负 载运作，某节点范围内会形成干扰讯号，网络将自 动以中继节点重新传输的方式，放大讯号强度，增 加传输的可靠度。藉由分析载波讯噪比、封包传输 测试等各项参数作质量诊断，并动态决定最佳路由 传输，提高传送可靠度，定义各项质量参数对选择 路由及中继节点的影响。 除了信号衰减的问题，另一个影响 PLC 通讯质 量的问题就是通讯质量的不稳定。电力回路上的负 载变化以及噪讯会对通讯质量带来极大的影响。对 于 PLC 在公共网络噪声干扰的问题，将以动态噪声 与载波侦测为主要的解决方案。本系统针对通讯质 量的状况进行侦测与分析以下两项对于 PLC 通讯的 干扰的影响因素:1. 来自于外部环境噪声的干扰、 2. 来自于电力回路中负载变化的干扰。了解这两种 干扰的程度以及原因后，并可针对滤波器电路、以 及讯号处理方式等提出各种改善的建议。配合可程 序化之滤波处理程序，针对不同干扰源与不同的载 波调变方式，以可调适性滤波电路技术进行噪声抑 制处理，将达到高可适性噪讯抑制的效果。 5LED 照明监控界面 framework 图 5 为照明路灯监控的网站架构图，一般停车 场照明接口设计至少应有以下模块功能: 第 22 卷第 4 期林青海等:停车场情境应用的 LED 照明与智能控制网络63 图 5照明监控网站架构图 ( 1)路灯图资维护模块:细分为图层管理模块 与设备管理模块，图层管理模块负责停车场楼层图 的管理，可新增、删除与编辑停车场与停车场楼层 的设计图，对于室内停车场而言，可以有一层以上 的设计图，而室外停车场则只有一层。设备管理模 块负责可于图层管理模块所设置的楼层上新增、删 除与修改设备。譬如图层管理模块建立了一个立体 停车停车场的室内停车场，新增并且汇入了 9 个楼 层的设计图，设备管理模块可任意选择立体停车停 车场的任一楼层设计图上，放置新增 LED 照明设 备、电力计、微波传感器、网关器等设备 icon，并 且编辑其硬件与逻辑设定值。 ( 2)通讯协议应用程序模块:本模块负责编译 与解译 UI 跟网络层间的协议命令， 其透过 存 取 数 据 库 与 UI 作 联 系，并 且 利 用 socket 与底层网络沟通，此种作法好处是协议与 UI 是相互隔离的，每次协定一有新增与修改，则只需 抽换掉旧的通讯协议应用程序换上新的应用程序即 可。 ( 3)路灯控制模块:本模块主要负责控制、查 询、排程、群组、动态显示设备信息。 譬如 client 端可在路灯图资维护模块所设置好 的立体停车场的 6 楼的某盏 LED 灯具做调光控制、 查询某灯具回路上电力计的电流值、设定某个时刻 灯具该做何事、将某些灯群组一起以便控制等功能。 图 6自动化派工流程 ( 4)路灯事件查询模块:本模块主要是用于查 询与辨识来至网络的事件，当发现网络有错误事件 发生时，会自动下查询命令查询错误的硬件装置， 重复 2 次以上若网络回复仍有问题，则自动将错误 的硬件编码与错误症状告诉派工模块自动派工，达 成系统自动化的目的，详细的派工自动化流程如图 6 所示。 64照明工程学报2011 年 8 月 ( 5)路灯数据查询统计模块:本模块主要负责 照明网络设备数据统计分析与绘图用，如分析绘制 电力计的电压、电流、耗功等数据。 ( 6)权限管理模块:负责管理网站登入角色的 权限与人员资料的维护，路灯人员全线大致可分为 感理整个网站架构的系统管理员、可控制某些区域 设备的区域分队巡查员、回复派工维修状态的维修 人员与网络留言、故障报修、维修进度查询的访客。 ( 7)派工维护模块:负责派工通知、材料使用 与维护、设备维修状与查核等功能。 ( 8)故障报修模块:提供民众网络故障报修与 报修状态回复。 6灯光模拟与实作 停车场的照明分为 3 种运作模式:长时间无车 辆进出、短时间无车辆进出与有车辆出入时，观察 3 种灯具操作模式的照明效果。 图 7 所示为有车辆出入时的照明模拟与实景照 片，由图中的明亮分布可以看到在车道区域的照度 较高，让驾驶可以有较高的明亮感受以满足视觉导 引与安全上的亮度要求。此时点亮的灯具共 53 盏， 总用电量约 1590W。 图 8 所示为在短时间无车辆进出时的情境照明 模拟与实景照片，代表有行人经过但无车辆行动的 情境，由图中的明亮分布可以看到在车道区域的照 度降低，而维持了在停车格、转角处与出入口的照 度分布。此 时 点 亮 的 灯 具 共 29 盏，总 用 电 量 约 870W。 图 9 所示为在长时间无车辆进出时的情境照明 模拟，由图中的明亮分布可以看到关去在车道区域 的照明灯具，而维持了在停车格、转角处与出入口 的灯具照明，但是降低灯具的用电功率，减少 55% 的用电功率，兼顾长时间省电与治安安全的需求。 图 7有车辆出入时的情境照明模拟与实景照片 图 8短时间无车辆进出时的情境照明模拟与实景照片 ( 下转第 70 页) 70照明工程学报2011 年 8 月 制普通的 LED 驱动器。但若针对 TRIAC 调光器特 点，在 LED 驱动电路中加上必要的维持电流补偿模 块或是改变控制芯片关键参数，结合使用合理的调 光策略，就可以解决 TRIAC 调光器应用于 LED 绿色 节能照明的瓶颈问题，可以用 LED 灯直接取代配有 TRIAC 调光器的白炽灯和卤素灯，而且原有的调光 器不需作任何改动，实现 1 100% 的宽范围调光比 和均匀平稳无闪烁调光，可以快捷轻松地完成可调 光 LED 照明系统设计。 参 考 文 献 1 Georg Sauerlnder， Dirk Hente， Harald Radermacher， Eberhard Waffenschmidt，Joep Jacobs “Driver Electronics for LEDs C ” 41st IEEE IAS Annual Meeting，pp 2621 2626 ( 2006) 2 Heinz Van Broeck，Georg Sauerlander，Matthias Wendt “Power Driver Topologies and Control Schemes for LEDs C ” 22edAnnualAppliedPowerElectronics Conference，IEEE APEC，pp 1319 1325 ( 2007) 3 Andre Tjokrorahardjo “Simple Triac Dimmable Compact FluorescentLampBallastandLightEmittingDiode Driver” 25th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition ( APEC) ，2010，pp1352 1357 ( 2010) 4 DustinRand， BradLehman， AnatolyShteynberg， “Issues Models and Solutions for Triac Modulated Phase Dimming of LED Lamps” ，Power Electronics Specialists Conference2007， IEEEPESC， pp13981404 ( 2007) 5 SSL2101SMPS IC for dimmable LED lighting， NXP Semiconductor Data Sheet ( 2009) 6 NCL30000PowerFactorCorrectedDimmableLED Driver，ON Semiconductor Data Sheet ( 2009) 7 徐德鸿，马皓，汪槱生“电力电子技术 M ” 北 京，科学出版社 ( 2006) 8 毛兴武 “使用传统可控硅调光器的发光二极管驱动 器” 光源与照明，2009，4 ( 12) :1 4 ( 2009) ( 上接第 64 页) 此时点亮的灯具共 29 盏，总用电量约 392