一种基于室内微光采集的教室智慧照明系统

本发明涉及教室智慧照明系统领域，具体涉及一种基于室内微光采集的教室智慧照明系统。

背景技术：

1、国家2021发布的《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》(gb 40070-2021)明确指出，普通教室照明灯具的相关色温应不小于3300k，且不大于5300k，而且色温超过5000k光色偏蓝，对人眼可能造成损伤，关于教室色温的控制很有必要。

2、据相关数据统计，我国青少年的近视人数飙升，而教室是青少年生活学习用眼最多的场合，自2018年国家卫健委发布《近视防治指南》以来，各地纷纷响应，要求“2023年前完成全部教室照明改造”。

3、现有教室灯光调控系统节能减排方面设计不足，经常出现人走灯未灭的情况，造成能量浪费。同时，很多教室灯光调控系统大多为整体调控，缺少精确独立的对点调控，有些系统忽略了日光对室内灯光环境的影响，教室智慧调光不够“智慧”。系统针对照度不均和健康用眼标准建立教室照度模型，根据一个多输入多输出随机非线性时变系统的控制规划算法来趋近该模型，达到教室健康照明要求。

4、教室照明改造首先要基于对教室照明的实时监测才可以达到动态控制照明环境，而一个自供电的无线传感网络可以很好地解决这个问题，既减少了为每个节点更换电池的维护成本，让整个系统更加绿色环保，也可以防止数据人工录入出错，提高数据采集准确性，使教室灯光调控更加精准实时。而现在的自供电无线传感系统的监测节点其数据采集率和能量采集效率未能达到有效均衡，在能量采集效率高时要尽量采集更多的数据，能量采集效率低时适当降低数据采集量，使系统整体的能量达到均衡，防止出现节点因为能量过低而断连，或者能量采集效率高时由于数据采集量低导致储能设备无法继续充电而浪费能量。

5、而通过实时改变采集周期的算法在均衡能量，保证系统正常运行的前提下，提高数据采集量，进而提高能量利用率，同时更多的数据也可以让教室光环境的建模更加精准，更好地调控教室光环境，防止近视并且提高学习效率，为师生营造一个健康舒适的教学环境。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于室内微光采集的教室智慧照明系统，包括以下子系统：能量采集子系统、环境监测子系统、灯光控制子系统、数据处理单元；

2、所述能量采集子系统为环境监测子系统供电；

3、所述环境监测子系统包括若干监测节点和第一协调器，所述监测节点与所述第一协调器通过无线通讯方式连接；

4、灯光控制子系统包括若干灯光控制节点、控制面板、电功率检测传感器、第二协调器；

5、所述环境监测子系统采集得到的数据通过第一协调器发送给所述数据处理单元，数据处理单元产生的控制信号，通过第二协调器发送给灯光控制子系统；

6、所述监测节点分成四组：第一组所述监测节点布置于课桌水平面上，称为a组；第二组所述监测节点布置于黑板前方，称为b组；第三组所述监测节点分布于窗口，称为c组；第四组所述监测节点分布于教室内部墙面中上位置，称为d组；

7、a组分为靠近窗口组和远离窗口组；

8、所述能量采集子系统包括非晶硅太阳能电池、电源管理芯片bq25505、储能模块，非晶硅太阳能电池连接电源管理芯片bq25505的vin_dc管脚作为输入，电源管理芯片bq25505的vbat_sec管脚连接储能模块；

9、所述电源管理芯片bq25505内部包括最大功率点跟踪mppt电路、升压控制电路、纳米级功耗管理nano power management电路以及冷启动电路，具有低照度下冷启动功能、通过按周期采集太阳能电池的开路电压和设定电压比例系数的方式实现最大功率点追踪(mppt)功能、稳压功能、储能/充电功能以及负载使能电路。

10、所述电源管理芯片bq25505的外部电路包括芯片fdc6312p；

11、所述电源管理芯片bq25505具有智能控制负载关断功能，使负载可持续性地在正常电压下工作，通过芯片fdc6312p连接负载，所述fdc6312p芯片内部包括两个pmos，两个pmos的s极相互连接，两个pmos的两个g极和所述电源管理芯片bq25505的管脚连接；所述控制面板，接受触屏输入信息，并向所述数据处理单元发送输入的灯光控制信号，所述灯光控制信号包括照度信息、色温信息、时间信息；

12、所述第二协调器用于向灯光控制节点发送控制信号；

13、所述电功率检测传感器通过有线方式连接投影仪，向所述数据处理单元发送投影仪使用情况信号；所述电功率传感器通过检测教室中投影仪的电功率消耗来控制灯具的关灭；

14、每个所述灯光控制节点包括直流恒压模块、恒流驱动模块、灯具、人体检测装置和zigbee通讯模块；

15、所述直流恒压模块将220v交流电转化为直流低电平为恒流驱动模块、灯具、人体检测传感器和zigbee通讯模块供电；

16、所述恒流驱动模块通过zigbee通讯模块接收所述第二协调器下发的用于调光的控制信号，驱动所述灯具；

17、所述人体检测装置包括红外传感器单元，所述红外传感器单元采集当前灯光控制节点所在区域是否有人员存在的信息，通过zigbee通讯模块，发送到第二协调器，第二协调器根据是否有人员存在控制灯具的光照强度；；

18、所述灯光控制节点分为两组，一组分布在教室顶端，称为学生组；一组置于黑板顶端，称为讲台组。

19、本发明还提供一种基于室内微光采集的教室智慧照明系统的控制方法，所述能量采集子系统的控制方法包括以下步骤：

20、太阳能电池接收室内光输入能量到所述电源管理芯片bq25505；

21、当电源管理芯片bq25505的输出电压低于1.8v时，所述电源管理芯片bq25505处于冷启动模式，控制太阳能电池输入电压为330mv；

22、当所述电源管理芯片bq25505的输出电压大于或等于1.8v时，所述电源管理芯片bq25505进入升压充电模式，所述最大功率点跟踪mppt电路开始工作，通过电压比例系数法，周期性地断开太阳能电池采集太阳能电池的开路电压，控制输入电压为乘以比例系数的开路电压，所述比例系数为最大功率点电压和开路电压的比例系数，使太阳能电池工作在最大功率点；

23、当所述电源管理芯片bq25505的输出电压大于或等于2.7v时，停止向所述储能模块充电，防止过充；

24、当所述电源管理芯片bq25505的输出大于或等于2.6v时，所述pmos的g极输入低电平，导通所述储能模块和负载，负载开始正常工作；当电压下降到2.3v时，关闭负载；

25、所述环境监测子系统2中监测节点的采样周期控制方法，包括如下步骤：

26、获取在室内光强度为100～1000lux范围内，不同光强度下，能量采集子系统光能转换为电能的效率；

27、再根据监测节点的数据采集发送功耗和静态功耗，计算出各个所述监测节点在不同光照下的能耗，选择贪心算法找出最优的采集发送时间间隔，作为定时器周期；

28、所述算法需要满足在所述定时器周期内，采集到的能量ecollection要高于消耗能量econsumption要满足如下公式：

29、ecollection≥econsumption

30、采集到的能量包括该时刻的电池保有量ebattery，与该周期内不同照度下能源采集效率的平均值和周期t的乘积的和；消耗的能量包括该周期内的静态功耗wleakage和采集发送一次数据的功耗wdata，如以下公式所示：

31、

32、每个周期都需要计算下一个周期的时长；

33、周期内能源采集效率的平均值具体要考虑太阳能电池的采集转换效率ηpv和电源管理模块的效率ηpmu；电池保有量ebattery要考虑储能模块的自放电功率损耗pself_discharge；电池管理模块效率要考虑mppt误差损耗ηmppt，控制电路损耗ηcontrol；具体如以下公式所示：

34、

35、ebattery＝e′battery-pself_discharge*t

36、ηpmu＝ηmppt*ηcontrol

37、其中，e′battery指上一周期结束时的电池保有量；

38、所述灯光控制子系统控制照度的方法，包括以下子步骤：

39、子步骤(1)采集数据，训练出一个神经网络作为系统模型：

40、x+＝f(x,u)

41、x＝[xinner,xouter]为照度矢量，其中xinner是代表位于教室内的所述监测节点测得的照度，xouter代表位于所述窗口的所述监测节点测得的自然照度；

42、u为控制灯具照度的控制电流矢量，x+为在某一x与u的作用下所得到的新照度矢量；

43、根据该模型，预测系统状态轨迹如下：

44、xu(0)＝x(n) xu(k+1)＝f(xu(k),u(k))k＝1,2,……，n-1

45、其中，xu(k)代表x和u共同作用后的照度；n代表时间，n时刻作为初始状态，u(k)可以均为一常数；

46、子步骤(2)，建立最优控制问题

47、

48、其中l(xu(k))＝||xu(k)-xref||2用来保证优化趋近于健康用眼照度xref；同时th||δu(k)||2是正则项，用以保证对照度的调节是平滑的，不致于剧烈变动，防止灯具闪烁；

49、根据序列二次规划，求解上述最优化问题，可得最优控制电流矢量序列为：

50、u*(0),u*(1),...,u*(n-1)

51、其中，u*代表最优控制电流矢量，n代表调节次数；

52、子步骤(3)，施加最优控制电压矢量序列的首项，用以调节灯具照度；

53、再判断各所述监测节点是否均将照度状态数据通过第一协调器传入数据处理模块；若所述照度状态数据已通过第一协调器传入数据处理模块，则取得x(n+1)，转入子步骤(1)，开始新一轮迭代；

54、其中，x(n+1)是针对x(n)的下一状态，x(n)为n时刻的照度矢量；转入子步骤(1)是指x(n+1)＝xu(1)，也就是将上一时刻的预测结果作为这一时刻的初始照度状态；新一轮迭代是指改变初始照度状态，用新采集到的照度状态数据取代上一时刻的照度状态数据，进行下一轮预测，并求解最优控制电流矢量序列；

55、若所述监测节点的照度状态数据未通过第一协调器传入数据处理模块，则针对未曾传入的照度状态数据xi(n+1),用第i次照度状态数据的预测值(n+1)代替未曾传入的照度状态数据数据xi(n+1)，再转入子步骤(1)，开始新一轮迭代；

56、其中，xi(n+1)代表没有传入数据处理模块的第i次的照度状态数据；

57、若所述监测节点的所有照度状态数据均未传入，则在下一采样时刻直接采用预测控制电流矢量序列u*(1),...,u*(n-1)，直至有监测节点向数据处理模块传入数据，再转入子步骤(1)，开始新一轮迭代。

58、色温对学生的情绪、健康、睡眠、学习状态会产生影响，根据不同时间段学生的作息规律、学习效率以及国家用眼标准，将色温分为上午高效学习状态、下午高效学习状态、午休状态和过渡状态时间段进行控制，保证午休睡眠质量，提高学生学习效率，达到健康规律的学习状态。

59、作为优选，按如下方式控制所述灯具提供的色温，上午6点到8点，控制所述灯具提供的色温从3300k上升至5300k，上午8点到10点，色温保持在5300k，中午12点到1点，色温控制在3300k以下，下午1点到3点色温上升到5300k，下午3点到6点色温控制在5300k，下午6点到8点色温缓慢下降到3300k，下午8点以后色温逐渐降低直至关灯。

60、根据教室学习需要，不同教学场景下的师生所需照度条件不同，按照教学目的和师生状态，将灯光控制子系统分为不同的调节模式，便于照度调节。

61、所述灯光控制子系统根据不同教学场景下的师生所需照度条件不同，按照教学目的和师生状态，提供三种控制模式：幻灯片模式，自习模式和午休模式，所述幻灯片模式关闭讲台组灯具，学生组灯具的光照控制在50lux以下，自习模式学生组光照控制在400lux以上，讲台组光照控制在500lux以上，午休模式为每日定时，中午12：00开始，讲台组关闭灯具，学生组光照控制在200lux左右，12：30到1点间关闭学生组灯具，1点以后打开讲台组灯具，学生组灯具以一定时间步长缓慢恢复到400lux以上。

62、作为优选，所述储能模块可选用：3mah微小圆柱形可充电二次钛酸锂电池ct04120；可充电固态薄膜电池(efl1k0af39)；由超级电容和小容量可充电锂电池(cg-320a)组合充电；

63、不同的应用要求决定了负载功能和储能要求，不同负载的工作电压不同，不同的储能元件充放电状态和限制条件也不同，因此需要更换不同储能元件来适配负载达到应用要求。

64、当替换为不同工作电压的储能模块时，需要将bq25505的输出电压调节到相应工作电压，然后连接输出电压可编程的降压模块(tps62840)，将电压稳定在2.3v左右为负载供电。

65、受应用环境限制，为了适应室内微光的照度，提高光电转化效率，非晶硅太阳能电池相较常见的单晶硅和多晶硅太阳能电池有优势，同时也可以用钙钛矿太阳能电池、iii-v半导体太阳能电池、有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、胶体量子点太阳能电池等代替，尺寸根据不同太阳能电池的转化效率进行相应调整。

66、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明为自供电实时闭环调控系统，根据采集到的数据和国家用眼健康标准，可以精准控制每一个相对位置灯具的灯光效果，达到健康照明，均衡灯光，解放双手，节能减排的效果；同时，由室内微光采集的能量为监测节点供电，可以解除电池寿命对监测节点寿命的影响，降低人工维护成本，提高系统鲁棒性；再者，通过算法在均衡能量的前提下提高数据采集量可以提高能量利用率，同时更多的数据也可以让教室光环境的建模更加精准，该照度模型针对照度不均和健康用眼标准建立，根据一个多输入多输出随机非线性时变系统的控制规划算法来趋近该模型，达到教室健康照明要求，营造一个健康舒适的教室环境。