一种基于CANopen总线的公共照明节能智能控制系统

摘要

本发明公开一种基于CANopen总线的公共照明节能智能控制系统，用于对公共场景中的照明负载进行供电控制，包括智能模糊控制器及其直接控制的智能调光器，通过模糊控制算法和模糊逻辑推理实现接近无级的场景定制化智能调光；还包括若干控制终端，通过控制终端直接连接对应的照明负载进行开闭控制；还包括管理平台，管理平台通过设置的CANopen总线网络与控制终端连接；还包括光伏发电模块，光伏发电模块连接控制终端并由控制终端控制给照明负载供电；所述管理平台连接光伏发电模块进行供电控制。通过本发明的智能控制技术提升建筑、道路、地下等场景照明系统的节能率，提升照明系统的网络化、智能化、绿色化水平，促进建筑节能。

说明书

技术领域

本发明属于智能楼宇技术领域，具体涉及一种基于CANopen总线的公共照明节能智能控制系统。

背景技术

统计数据显示，照明系统的能耗一般占一栋建筑能耗的30-40％左右，仅次于中央空调系统所占能耗比例。因此，照明系统是建筑能耗的大户，照明系统能效的提升直接影响建筑能效。传统的公共建筑照明控制系统一般采用DDC控制器或PLC控制器，采用的是“点对点”连线方式，每个控制点的接入都需要一根线缆。这样做的结果是施工安装复杂，更改困难，改造成本高，且系统总体造价相对较高。基于现场总线的智能照明控制系统将控制信号和系统数据通过一根总线共享，可以大幅度节省布线安装资源和复杂度，从施工安装角度讲就是节能的。另外，基于现场总线的智能照明控制系统通过自适应调光控制器等核心装置的智能算法作用，能够大幅度提高智能照明系统的节能率，实现不增加任何设施、设备情况下的主动节能。

目前，工程中较为广泛应用的照明系统现场总线有：奇胜公司的C-BUS总线，邦奇公司的Dynalite总线，ABB公司的i-bus总线，美国Echelon公司的LonWorks总线。CANopen协议是德国CIA组织(CAN-in-Automation)在CAL(CAN Application Layer)的基础上发展而来的一种工业控制系统通信协议。一经推出便在欧洲得到了广泛的认可与应用。CiA在CANopen基础协议CiA 301之上，对各个行业不断推出设备子协议，使CANopen协议在各个行业得到更快的发展与推广。目前，大量工程案例应用结果表明，CANopen协议具有稳定性好、实时性强、抗干扰性强的优势，具有广阔的发展前景。

但目前各行业领域的专用CANopen协议尚待被开发，并通过工程应用不断去测试和验证。基于专用CANopen协议开发相关装置，构建现场总线控制网络，是一种提升建筑节能率的有效途径。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种应用于公共建筑及农村基础设施场景的公共照明智能控制系统，自动控制所述智能调光器进行智能调光，实现不同场景下输出功率的自动控制和光照强度的自适应控制。

本发明所采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种基于CANopen总线的公共照明节能智能控制系统，用于对公共场景中的照明负载进行供电控制，

包括若干控制终端，通过控制终端直接连接对应的照明负载进行开闭控制；

还包括管理平台，管理平台通过设置的CANopen总线网络与控制终端连接；

还包括光伏发电模块，光伏发电模块连接控制终端并由控制终端控制给照明负载供电；所述管理平台连接光伏发电模块进行供电控制。

结合第一方面，本发明提供第一方面的第一种实施方式，所述控制终端包括智能模糊控制器、智能调光器和继电器，智能模糊控制器、智能调光器和继电器均通过CANopen总线与管理平台连接。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第二种实施方式，还包括有管理网络，通过管理网络登录管理平台进行数据交互。

结合第一方面的第二种实施方式，本发明提供第一方面的第三种实施方式，所述管理平台为智能照明中央监控主机，还具有若干智能照明监控工作站，智能照明监控工作站通过管理网络与智能照明中央监控主机进行数据传输。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第四种实施方式，所述光伏发电模块包括光伏发电装置、光敏传感器、毫米波雷达探测器、逆变单元、储能装置，所述管理平台接入光伏发电模块，通过逆变单元实现太阳能的DC-AC转换，通过储能装置实现光伏发电产生的电力的存储。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第五种实施方式，所述控制终端中具有网关，通过网关实现通过Modbus访问CANopen，或通过CANopen访问Modbus。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第六种实施方式，所述管理平台中具有报警模块，通过管理平台中的人机界面实时显示报警数据和报警事件，并通过管理平台的客户端进行远程通知用户报警、预警信息。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，本发明提供第一方面的第七种实施方式，智能模糊控制器中采用模糊逻辑控制算法，以照度为论域，将照度划分为若干个对应于不同场景的等级，作为模糊集合的元素，模糊集合定义为：

Czm＝{-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，对应照度0-100％。采用梯形隶属度函数。模糊控制器的输入有m个，模糊分级数按照照度等级划分为：n

R＝{Rzm

式中，Rzm

本发明的有益效果为：

本发明将世界通用且发展前景好的CANopen工业通信协议引入应应用到智能照明节能控制领域，简化传统控制系统的设计复杂度和施工复杂度，降低工程成本，同时更重要的是通过智能控制算法的融入及系统的综合优化设计，提升整个系统的节能水平，实现以最小成本获取最大经济效益的目的。

通过本发明的实施，通过智能控制技术提升建筑、道路、地下等场景照明系统的节能率，提升照明系统的网络化、智能化、绿色化水平，促进建筑节能。通过本专利的实施，能够实现公共照明的自动节能控制，方便充分利用太阳能进行照明系统能源的有效补充，实现光伏建筑一体化下的绿色照明自动化控制。

附图说明

图1是本发明中控制系统的架构图；

图2是本发明控制系统的网络配置中modbus和canopen的协议转换方式示意图；

图3是本发明控制系统的网络配置中canopen和modbus协议转换方式示意图；

图4是本发明控制系统的网络配置中利用成对CANopen实现串口设备的透明连接的示意图；

图5是本发明CANopen协议应用原理图；

图6是本发明实施例中智能照明模糊控制器的原理图；

图7是本发明实施例中照明智能控制系统在酒店建筑中的应用的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例公开一种基于CANopen总线的公共照明节能智能控制系统，用于对公共场景中的照明负载进行供电控制，包括若干控制终端，通过控制终端直接连接对应的照明负载进行开闭控制；还包括管理平台，管理平台通过设置的CANopen总线网络与控制终端连接；还包括光伏发电模块，光伏发电模块连接控制终端并由控制终端控制给照明负载供电；所述管理平台连接光伏发电模块进行供电控制。还包括有管理网络，通过管理网络登录管理平台进行数据交互。

其中，控制终端包括智能模糊控制器、智能调光器和继电器，智能模糊控制器、智能调光器和继电器均通过CANopen总线与管理平台连接。

管理平台为智能照明中央监控主机，还具有若干智能照明监控工作站，智能照明监控工作站通过管理网络与智能照明中央监控主机进行数据传输。

具体的，本实施例中提供了基于CANopen总线技术的现场控制系统，由智能控制器、智能调光器、CANopen总线接口单元(包括：CANopen总线协议、收发模块、协议转换模块)、光伏电气自控系统(包括：光伏发电装置、光敏传感器、毫米波雷达探测器、逆变单元、储能装置)、管理平台、管理网络。所述照明节能自动控制系统采用分布式网络架构，系统构建方法如图1所示。

所述系统能够接入太阳能，通过逆变单元实现太阳能的DC-AC转换，通过储能装置实现光伏发电产生的电力的存储。

所述系统经CANopen总线连接最多N(N与控制器所选相关芯片的驱动能力决定)台智能照明控制器，通讯速率可由9600波特至上百千波特。

智能调光器节点带有智能控制算法和控制程序，配置两种算法，一种是神经网络类控制算法及相应的神经元芯片，一种是智能模糊控制算法及相应的模糊元芯片。可根据实际需要选择算法类型及相应的软硬件模块。

控制程序可通过控制器编程工具进行编程并可烧制到Flash EPROM。

控制器控制所述照明系统的输出功率，并根据负荷的功率需求自动控制所述光伏阵列的发电。在控制所述光伏阵列发电时，自动跟踪太阳最强光源发出处的位置，并实时调整图像跟踪角度，以保证光电能源的最高转化率。所述控制器还能够自动控制所述智能调光器进行智能调光，实现不同场景下输出功率的自动控制和光照强度的自适应控制。

智能照明控制器采用模块化方法设计，由各种不同功能的模块和附件组成，各种模块能够以插入式或连线方式进行自由组合，根据实际系统点数定制化设计控制器容量并根据容量配置相关模块。每台智能照明控制器可自由编程且能作为独立控制器使用，与其他装置和总线连接后可快速组建小型、中型、大型照明控制系统。

智能照明模块中的CANopen总线可在线自动监测设备状态，自动巡检设备故障，自动预测设备故障，提前进行设备和系统安全预警。

控制系统主要功能模块如下：

(1)场景控制

通过程序预设不同种类的场景模式，根据各个区域的照度和舒适度需求，选择相应的场景模式，并将场景模式进行编码后封装进通信协议和控制指令，进行各种模式下的照明灯光控制，达到自适应环境和节能效果。

(2)定时开关

通过时钟管理器，实现整个系统和特定区域的定时开关控制，实现自动开关管理。

(3)实时监控

中央控制室配置一台或若干台中控主机，所有照明控制设备通过所述控制系统网关接入中央监控平台，管理人员通过工作站实时监视系统工作状态点及其他信息。系统绘图工具支持矢量图及多种图形图像表示方式，监控界面具有三维可视化效果。支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等图形对象的嵌入、支持二维、三维图元的绘制。

(4)报警预警

提供报警处置和管理功能，以及基于报警大数据的预警功能。系统人机界面可实时显示报警数据和报警事件，也可通过手机APP远程通知用户报警、预警信息。

(5)系统联动

所述系统可以与其他系统实现联动控制，接受其他系统或工作人员的强切信号。实现与光伏发电、消防系统、安防系统、空调系统、电梯系统、广播系统、会议系统，甚至家电系统的联动控制，在综合各系统联动数据的前提下控制相应灯具更加符合节能规律的启停。

(6)电气转换

控制系统核心装置和算法策略如下：

(1)网关

为系统集成需要，可开发各种专用网关(如图2中的CANGate)，例如串口到CANopen的网关，串口一端有RS232和RS485两种端口可选。利用该网关，可实现通过Modbus访问CANopen，或通过CANopen访问Modbus。网关及网络的各种应用如图2、3、4所示。

(2)智能节能控制策略

采用模糊控制算法达到节能控制目的。智能照明模糊控制器结构如图4所示。

CANopen协议和报文

CANopen是一个基于CAN串行总线系统和CAL(CAN应用层)的高层协议。CAN报文由7个不同的位域组成，CANopen规定其中的仲裁域(11位标识符)和数据域(8字节数据)的使用。CANopen的核心是设备对象字典(OD：ObjectDictionary)，CANopen通讯通过对象字典(OD)能够访问驱动器的所有参数。CANopen协议根据本应用进行局部改进，加入节点加密操作，机理图如图5所示。

为智能照明控制网络中的每个CANopen网络节点定义一个对象字典(ObjectDictionary，OD)，对象字典包含描述对象设备及其网络行为的所有参数，对象字典中的项由一系列子协议来描述。子协议描述对象字典中每个对象的功能、名字、索引、子索引、数据类型、读/写属性，以及这个对象是否必需等，从而保证不同厂商的同类型设备兼容。“对象字典”是一个有序的对象组；每个对象采用一个16位的索引值来寻址。为了访问数据结构中的元素，同时定义了一个8位的子索引。

CANopen协议主要包含3类子协议：通信子协议，制造商自定义子协议，设备子协议。CANopen协议的核心描述子协议是DS301，包括CANopen协议应用层及通信结构描述，其他子协议都是对DS301协议描述文本的补充与扩展。通过在CANopen协议中定义网络管理对象(NMT)、服务数据对象(SDO)、过程数据对象(PDO)、预定义报文或特殊功能对象4种对象实现CANopen通信。

所述控制系统的硬件主要技术参数如下：

工作电压：DC12V

额定输出电流：16A/回路

输出回路：N路

工作温湿度与存储温湿度：温度-40℃～+85℃，湿度10％～95％

M路16A继电器输出

具有远程控制与就地控制功能

具有自动控制与手动控制功能，异常情况下可实现手自动切换

每个回路可配置具备自动调亮、调暗功能的AI调光器

具有短路保护功能

具有过载、过温保护功能

具有消防信号输入和反馈接口

通讯方式：CANopen总线手握手通讯

CANopen接口模块外形尺寸：80*80*105mm

CANopen控制器处理器：工业32位ARM处理器

ESD(静电放电)保护：IEC61000-4-2Level2(接触放电4KV，空气放电15KV)

CANopen通信接口支持1KV、5/100HZ群脉冲保护

CANopen通信接口支持1KV、5/100Hz浪涌保护

CANopen波特率：符合规范的波特率(10kbps--1000kbps)

电气隔离：DC1000V

实施案例如图6和图7所示照明智能控制系统在酒店建筑中的应用，但不局限于此类建筑，所述系统广泛适用于公共建筑、道路基础设施等场景。实施步骤如下：

(1)RS485总线网络或其他类型网络与CANopen总线网络集成。

利用CANopen接口实现RS-485网络到CAN总线网络的数据交换。

(2)管理网与CANopen总线网络两层网络集成。

两层网络之间采用CANopen网关作为现场总线和以太网的桥梁，完成数据的转换和互联。

(3)CANopen总线节点设计。

节点设计中必不可少的一个部件是CANopen收发器，它是节点连接到CANopen网络的接口。微处理器是CANopen节点设计中必不可少的部件。CANopen节点根据所采用的微处理器芯片特点可分为两种设计思路：一是微处理器本身具有片内CANopen控制器的情况，此时CANopen节点主要由微处理器加CANopen收发器两部分构成。可作为此类微处理器的芯片可以是ARM、AVR、DSP等。具体的如：(i)P8xC591 8位单片微控制器。它采用强大的80C51指令集并成功包含了PHILIPS半导体SJA1000 CAN控制器强大的PeliCAN功能。(ii)LPC2100、LPC2200、LPC2300、LPC2400、LPC2800系列32位ARM微控制器。这些系列的微控制器基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有嵌入的高速Flash存储器。另一种是采用独立CANopen控制器的情况，此时微处理器本身没有集成CANopen控制器，CANopen节点主要由微处理器加独立CANopen控制器再加CANopen收发器三部分构成。

(4)系统总体集成及系统总体测试。

将设计好的控制系统投入实际项目使用，进行系统级总体集成调试，及时修正设计中的不足，经反复测试和调试后系统可进入运营阶段。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。