基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及智能照明技术领域，具体地讲，是涉及一种基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统及其控制方法。
背景技术
在当今节能的大背景下，LED灯以其环保、无污染、低能耗、高光效、寿命长等特点，作为主流照明方式广泛的应用在通信、照明、标识、广告等诸多领域。随着LED照明应用的增加和互联网、智能技术的发展，全球智能照明行业已迎来新的发展。我国自2012年以来，开始大力建立推广智慧城市，智能照明作为智慧城市重要的组成部分，是未来照明的发展方向。
传统照明开关灯常采用开启或关闭手动墙面开关形式，开启则为100％亮度，关闭则为0％亮度，然而在实际运用中，全天候照明并不需要一直保持100％亮度，例如中午外部光线强烈，室内照明可能只需要30％亮度即可，因此若能精准感应外界光照强度同时进行联动控制，则不仅可以节能减排降低电力浪费，同时可以减少光污染提升城市形象。虽然光照调节控制在生产和工业中十分普遍，但各自内在机理不同，数学模型存在一定的局限性，而且由于光照控制对象与场所的不同，以往的控制大多具有时间常数大，纯滞后时间长，时变性较明显等特点，最终控制效果往往达不到人们预想的程度。
发明内容
针对上述现有技术问题，本发明提供一种基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统，通过光照传感器联动微波雷达传感器，实现对光照亮度的有效且准确调节，并使亮度不只是传统的固定亮度变化，还具备随外界光照强度变化而变化的功能，以便更好更高效地利用电能和光能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统，包括相互独立配置于照明环境范围内并相互无线连接的无线光照传感器、无线雷达传感器和无线照明模块，以及内置于无线光照传感器、无线雷达传感器或无线照明模块的PID模块，其中，
无线光照传感器，用于采集照明环境的光照强度，与预设亮度对比，并无线输出PWM调光初始信号；
无线雷达传感器，用于感应照明环境内是否有移动物体，并将感应信号对PWM调光初始信号加权计算后输出PWM调光值；
无线照明模块，利用PWM调光值改变电源的PWM占空比的输出，将LED照明亮度调节为相应值；
PID模块，基于当前LED照明亮度不断对PWM调光初始信号进行平滑优化，输出优化后的PWM调光初始信号来改变PWM调光值使其平滑调节LED照明亮度。
具体地，所述无线光照传感器包括用于采集照明环境的光照强度值的光强度传感器，用于将采集的光照强度值与预设亮度对比的光照处理芯片，以及将光照处理芯片输出的PWM调光初始信号进行无线传输的第一Zigbee模块其中，当PID模块内置于无线光照传感器内时，光照处理芯片与PID模块连接。
具体地，所述无线雷达传感器包括用于感应照明环境内移动物体的微波雷达传感器，用于处理微波雷达传感器传输的感应信号与接收的PWM调光初始信号的雷达处理芯片，以及无线接收第一Zigbee模块传输的PWM调光初始信号并无线输出PWM调光值的第二Zigbee模块，其中，当PID模块内置于无线雷达传感器内时，雷达处理芯片与PID模块连接，第二Zigbee模块在调光时还接收来自无线光照传感器传输的当前光照强度信号。
具体地，所述无线照明模块包括用于接收第二Zigbee模块输出的PWM调光值的第三Zigbee模块，用于根据PWM调光值改变PWM占空比输出的PWM调光电源，以及根据PWM占空比输出改变照明亮度的LED灯具，其中，当PID模块内置于无线照明模块内时，PWM调光电源与PID模块连接，第三Zigbee模块在调光时还接收来自无线光照传感器传输的当前光照强度信号和来自无线雷达传感器传输的感应信号。
基于上述构造，本发明还提供了上述基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统的控制方法，包括以下步骤：
(S1)系统初始化后，无线光照传感器检测环境光照亮度并与预设亮度对比获得PWM调光初始值；
(S2)配置无线光照传感器的工作模式，若工作模式为雷达联动模式，则进行步骤(S3)；
(S3)将PWM调光初始值发送至无线雷达传感器；
(S4)无线雷达传感器将对照明环境内移动物体的感应信号对PWM调光初始值加权计算后获得PWM调光值；
(S5)将PWM调光值发送至无线照明模块；
(S6)无线照明模块中的PWM调光电源根据当前PWM调光值控制LED灯具调光；
(S7)由无线光照传感器检测当前环境的实际光照亮度值，通过PID模块更新PWM调光初始值，并反馈至步骤(S4)中与感应信号加权计算获得新的PWM调光值。
进一步地，所述步骤(S2)中，若工作模式为独立补光模式，则将PWM调光初始值作为PWM调光值发送至无线照明模块，并进行步骤(S6)。
进一步地，所述步骤(S4)中，PWM调光值＝PWM调光初始值×Ka，其中，Ka为感应信号的加权值，当感应信号为1时Ka＝1，当感应信号为0时Ka为一预设值且0<Ka<1。
进一步地，所述步骤(S7)中，通过PID模块更新PWM调光初始值的过程为：
步骤(S7.1)通过光强度传感器连续采集三次当前环境的实际光照亮度值，并分别与设定值作差法运算，获得三个差值参数ERR_1st、ERR_2nd、ERR_3rd；
步骤(S7.2)通过增量型PID算法，得到照度增量DL＝Kp×(ERR_3rd-ERR_2nd)+Ki×ERR_3rd+Kd×(ERR_3rd-2×ERR_2nd+ERR_1st)，其中，Kp为PID算法中的比例调节系数，Ki为PID算法中的积分调节系数，Kd为PID算法中的微分调节系数；
步骤(S7.3)根据照度增量DL值通过bang-bang算法得到PWM调光初始值。
进一步地，在所述步骤(S7.2)得到照度增量DL后，将步骤(S7.1)中的第三个差值参数ERR_3rd与预设的最大差值ERR_Max、最小差值ERR_Min分别做比较：
当ERR_3rd大于ERR_Max时，只有照度增量DL的正偏差生效，
当ERR_3rd小于ERR_Min时，只有照度增量DL的负偏差生效。
进一步地，在所述步骤(S7.2)中计算照度增量DL前，对第三个差值参数ERR_3rd取绝对值，并将其与设定的参考值ERR_CMP做比较：
若ERR_3rd大于ERR_CMP，则Ki＝0，
若ERR_3rd小于或等于ERR_CMP，则Ki＝1。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用基于PID算法控制LED亮度随环境光变化，自动调节的无线光照传感器在不同误差范围内设定光照值的情况下，使系统能以较快的速度达到设定值，利用不会有超调现象，也无振荡现象，具有良好的动态性能；而且没有出现稳态误差，具有较好的稳态性能。
(2)本发明采用光照传感器与雷达传感器联动的方式使雷达感应亮度不只是传统的固定亮度的变化，还具备随外界光照强度变化而变化的功能。
(3)本发明采用Zigbee无线通信的传感器，能通使一个传感器对应多个LED灯具，避免传统LED灯具每个回路都需要配一个传感器的问题，减少用量并能自由分组分区同步控制。
附图说明
图1为本发明-实施例的一种系统结构框图。
图2为本发明-实施例的另一种系统结构框图。
图3为本发明-实施例的再一种系统结构框图。
图4为本发明-实施例的一种流程框图。
图5为本发明-实施例中PID算法实现的流程框图。
图6为本发明-实施例的另一种流程框图。
图7为本发明-实施例的再一种流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图3所示，该基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统，包括相互独立配置于照明环境范围内并相互无线连接的无线光照传感器、无线雷达传感器和无线照明模块，以及内置于无线光照传感器、无线雷达传感器或无线照明模块的PID模块，其中，
无线光照传感器，用于采集照明环境的光照强度，与预设亮度对比，并无线输出PWM调光初始信号；
无线雷达传感器，用于感应照明环境内是否有移动物体，并将感应信号对PWM调光初始信号加权计算后输出PWM调光值；
无线照明模块，利用PWM调光值改变电源的PWM占空比的输出，将LED照明亮度调节为相应值；
PID模块，基于当前LED照明亮度不断对PWM调光初始信号进行平滑优化，输出优化后的PWM调光初始信号来改变PWM调光值使其平滑调节LED照明亮度。
具体地，所述无线光照传感器包括用于采集照明环境的光照强度值的光强度传感器，用于将采集的光照强度值与预设亮度对比的光照处理芯片，以及将光照处理芯片输出的PWM调光初始信号进行无线传输的第一Zigbee模块。作为优选，所述光强度传感器采用BH1750数字输出型光强度传感器，所述光照处理芯片采用STM32系列单片机，所述第一Zigbee模块采用AW5169模块，并采用USART接口与光照处理芯片连接。
具体地，所述无线雷达传感器包括用于感应照明环境内移动物体的微波雷达传感器，用于处理微波雷达传感器传输的感应信号与接收的PWM调光初始信号的雷达处理芯片，以及无线接收第一Zigbee模块传输的PWM调光初始信号并无线输出PWM调光值的第二Zigbee模块。作为优选，所述微波雷达传感器采用RCWL-0516微波雷达传感器，所述雷达处理芯片采用STM32系列单片机，所述第二Zigb模块采用AW5169模块。
具体地，所述无线照明模块包括用于接收第二Zigbee模块输出的PWM调光值的第三Zigbee模块，用于根据PWM调光值改变PWM占空比输出的PWM调光电源，以及根据PWM占空比输出改变照明亮度的LED灯具。作为优选，所述第三Zigbee模块采用AW5169模块，所述PWM调光电源采用STM32单片机作为处理核心。
其中，当PID模块内置于无线光照传感器内时，光照处理芯片与PID模块连接，如图1所示，在调光时，光强度传感器采集的当前光照强度信号由PID模块对PWM调光初始信号进行优化处理后再通过第一Zigbee模块输出。
当PID模块内置于无线雷达传感器内时，雷达处理芯片与PID模块连接，如图2所示，在调光时，来自无线光照传感器传输的当前光照强度信号通过第二Zigbee模块接收并传输给PID模块，与微波雷达传感器传输的感应信号共同对PWM调光初始信号优化处理后，再由第二Zigbee模块输出。
当PID模块内置于无线照明模块内时，PWM调光电源与PID模块连接，如图3所示，在调光时，来自无线光照传感器传输的当前光照强度信号和来自无线雷达传感器传输的感应信号均由第三Zigbee模块接收并传输给PID模块，进行对PWM调光初始信号的优化处理生成优化后的PWM调光值，来使PWM调光电源输出优化后的PWM占空比改变LED灯具的照明亮度。
基于上述构造，如图4-5所示，本发明还提供了上述基于PID算法的光照雷达无线智能照明系统的控制方法，包括以下步骤：
(S1)系统初始化后，无线光照传感器检测环境光照亮度并与预设亮度对比获得PWM调光初始值；
(S2)配置无线光照传感器的工作模式，若工作模式为雷达联动模式，则进行步骤(S3)；
(S3)将PWM调光初始值发送至无线雷达传感器；
(S4)无线雷达传感器将对照明环境内移动物体的感应信号对PWM调光初始值加权计算后获得PWM调光值，其中，PWM调光值＝PWM调光初始值×Ka，其中，Ka为感应信号的加权值，当感应信号为1时Ka＝1，当感应信号为0时Ka为一预设值且0<Ka<1，该预设值默认的初始值一般为0.1，可以根据实际使用环境的状态进行设定，例如通过MQTT(消息队列遥测传输)协议无线设置；
(S5)将PWM调光值发送至无线照明模块；
(S6)无线照明模块中的PWM调光电源根据当前PWM调光值改变PWM占空比输出，从而控制LED灯具调光；
(S7)由无线光照传感器检测当前环境的实际光照亮度值，通过PID模块更新PWM调光初始值，并反馈至步骤(S4)中与感应信号加权计算获得新的PWM调光值。
其中，所述步骤(S7)中，通过PID模块更新PWM调光初始值的过程为：
步骤(S7.1)通过光强度传感器连续采集三次当前环境的实际光照亮度值，并分别与设定值作差法运算，获得三个差值参数ERR_1st、ERR_2nd、ERR_3rd；
然后可以进行PID积分分离处理，即对第三个差值参数ERR_3rd取绝对值，并将其与设定的参考值ERR_CMP做比较：
若ERR_3rd大于ERR_CMP，则Ki＝0，
若ERR_3rd小于或等于ERR_CMP，则Ki＝1，
该参考值ERR_CMP的默认初始值一般为200，与环境需求的恒定照度相关，可以根据实际使用环境的状态进行设定。
步骤(S7.2)通过增量型PID算法，得到照度增量DL＝Kp×(ERR_3rd-ERR_2nd)+Ki×ERR_3rd+Kd×(ERR_3rd-2×ERR_2nd+ERR_1st)，其中，Kp为PID算法中的比例调节系数，Ki为PID算法中的积分调节系数，Kd为PID算法中的微分调节系数；
然后可以进行PID抗积分饱和处理，即将步骤(S7.1)中的第三个差值参数ERR_3rd与预设的最大差值ERR_Max、最小差值ERR_Min分别做比较：
当ERR_3rd大于ERR_Max时，只有照度增量DL的正偏差生效，
当ERR_3rd小于ERR_Min时，只有照度增量DL的负偏差生效，
其中预设的最大差值和最小差值的默认初始值一般配置为ERR_Max＝200、ERR_Min＝-200，可以根据实际使用环境的状态进行设定，例如通过MQTT协议无线设置。
步骤(S7.3)根据照度增量DL值通过bang-bang算法得到优化后的PWM调光初始值，以对原PWM调光初始值更新，其中bang-bang算法为现有算法，本实施例中对其具体过程不再赘述。
在另一实施方式中，如图6所示，所述步骤(S2)中，若工作模式为独立补光模式，则将PWM调光初始值作为PWM调光值发送至无线照明模块，并进行步骤(S6)；
此时步骤(S7)中，通过PID模块更新PWM调光初始值作为新的PWM调光值发送至无线照明模块，来改变LED灯具调光。
在另一实施方式中，如图7所示，在步骤(S2)中将工作模式选择为独立补光模式后，在后续进行PID模块改变调光中也可结合无线雷达传感器的感应信号进行新PWM调光值的计算处理，即：
(S2’)若工作模式为独立补光模式，则将PWM调光初始值作为PWM调光值发送至无线照明模块，并进行步骤(S6)；
(S6)无线照明模块中的PWM调光电源根据当前PWM调光值改变PWM占空比输出，从而控制LED灯具调光，然后进行步骤(S7)；
(S7)由无线光照传感器检测当前环境的实际光照亮度值，通过PID模块更新PWM调光初始值，并反馈至步骤(S4’)中与感应信号加权计算获得新的PWM调光值；
(S4’)获取无线雷达传感器对照明环境内移动物体的感应信号，并对更新的PWM调光初始值加权计算后获得新的PWM调光值，然后将新的PWM调光值发送至无线照明模块进行步骤(S6)。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
