專利名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自然光的照明利用控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光導(dǎo)照明技術(shù)應(yīng)用于大型體育場館和公共建筑以及辦公樓、住宅、商店、旅館、白天陰暗的房間或地下室、地下車庫、隧道、地鐵等建筑的采光照明中，可以取得良好的視覺照明效果和經(jīng)濟效益。應(yīng)用此技術(shù)可以充分利用太陽能，有效地減少白天的照明電耗。引進光導(dǎo)管技術(shù)，使其在照明節(jié)電中發(fā)揮作用對建筑節(jié)能有積極意義。另外自然通風(fēng)和自然光照明結(jié)合越來越多地運用到現(xiàn)代建筑中，與自然通風(fēng)相結(jié)合的光導(dǎo)管系統(tǒng)將進一步拓寬光導(dǎo)管的應(yīng)用范圍，滿足建筑物對自然采光和自然通風(fēng)的要求，可以使自然光照明效果更加完善。隨著建筑物結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜以及人們對自然光照明要求的逐步提高，傳統(tǒng)的自然光照明方式已無法滿足人們的要求，棱鏡折光板、光導(dǎo)纖維等采光裝置被逐漸引入到建筑物的采光設(shè)計中?，F(xiàn)有的類似光導(dǎo)管照明技術(shù)，其產(chǎn)品的光導(dǎo)性、難燃性和阻燃性優(yōu)良，并具有極好的隔熱和隔音效果，且透過率高。當前的光導(dǎo)照明系統(tǒng)僅限于將自然光引入光照不足的區(qū)域，無法人工控制采光裝置的持續(xù)工作，使得維護難度增大，安裝成本增高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中，光導(dǎo)照明系統(tǒng)僅限于將自然光引入光照不足的區(qū)域，無法人工控制采光裝置持續(xù)工作和轉(zhuǎn)換照明的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，包括太陽光收集器、跟蹤機構(gòu)、室內(nèi)混合照明、光纖、控制機構(gòu)，所述的太陽光收集器的結(jié)構(gòu)是，包括濾光球殼，濾光球殼的內(nèi)赤道面安裝有菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡背后設(shè)置有二次會聚透鏡，二次會聚透鏡的出光口與光纖聯(lián)通，光纖末端與太陽光室內(nèi)照明器連通，濾光球殼下半體設(shè)置在跟蹤機構(gòu)的驅(qū)動架中；所述的跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括五個傳感器和一個驅(qū)動架，在濾光球殼的外赤道面對向太陽方向均勻安裝有四只光電傳感器，同時在濾光球殼的外赤道面上還設(shè)置有一個對向太陽方向的細追蹤傳感器；驅(qū)動架中設(shè)置有三個轉(zhuǎn)輪，其中一個是被動轉(zhuǎn)輪，另外兩個是相互正交的全向輪A和全向輪B，全向輪A和全向輪B分別與各自的減速電機傳動連接；所述的控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括電腦，電腦通過互聯(lián)網(wǎng)與無線路由器連接，無線路由器與以太網(wǎng)接口的AP模塊連接、AP模塊與單片機連接，單片機還同時與所述的五個傳感器、兩個減速電機的電機驅(qū)動、光敏傳感器以及攜帶wifi模塊的燈具分別連接,攜帶wifi模塊的燈具與電力照明轉(zhuǎn)換器連接，電力照明轉(zhuǎn)換器與光敏傳感器和電力照明燈具同時連接。本發(fā)明的有益效果是:利用無線控制技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)，采用電腦或手機上網(wǎng)登陸網(wǎng)頁，即可設(shè)置照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，符合人們的日常生活習(xí)慣，有較高的應(yīng)用和推廣價值。I)采光裝置在結(jié)構(gòu)上采用獨特的球形外殼，聚光透鏡固定在距離球殼的赤道面等距面上，球殼底部兩個電機控制轉(zhuǎn)動方向追蹤太陽，達到輕便、省電、易于維護安裝、轉(zhuǎn)動角度精確等目的。2)利用開源軟硬件arduino及傳感器，實現(xiàn)簡單、高效的室外太陽的自動跟蹤，以及自然光照明與電力照明的自動開關(guān)轉(zhuǎn)換。3)將自然光導(dǎo)照明與物聯(lián)網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))技術(shù)相結(jié)合，通過EN28J16以太網(wǎng)接口模塊分配IP地址，實現(xiàn)登陸網(wǎng)頁的方式對自然光照明系統(tǒng)中的太陽跟蹤和供電照明開關(guān)實行遠距設(shè)置。4)將自然光導(dǎo)照明與無線控制技術(shù)結(jié)合，使用現(xiàn)如今流行的wifi技術(shù)與藍牙技術(shù)，實現(xiàn)手機近距離(100米左右)無線控制，調(diào)節(jié)自然光與供電照明之間的轉(zhuǎn)換。


圖1是本發(fā)明的混合照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置中的太陽光收集器及驅(qū)動架安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明裝置中的跟蹤機構(gòu)的五個傳感器安裝位置示意圖；圖4是本發(fā)明裝置中的太陽跟蹤驅(qū)動電路示意圖。圖中，1.濾光球殼，2.菲涅爾透鏡，3.二次會聚透鏡，4.光纖，5.太陽光室內(nèi)照明器，6.多面體散光球，7.光敏傳感器，8.電力照明轉(zhuǎn)換器，9.被動轉(zhuǎn)輪，10.電腦，11.單片機，12.手機，13.無線路由器，14.AP模塊，15.細追蹤傳感器，16.藍牙，17.全向輪A，18.全向輪B。
具體實施例方式本發(fā)明的系統(tǒng)工作時，默認自然光照明優(yōu)先，在自然光照明不足時，控制機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動啟動電力照明。如圖1所示，本發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是，包括太陽光收集器、跟蹤機構(gòu)、室內(nèi)混合照明、光纖4、控制機構(gòu)，五個部分的核心控制主板是單片機11 (優(yōu)選arduino型號)。太陽光收集器通過對透鏡面積、焦距設(shè)置合理的安裝參數(shù)，將各組件組裝起來，能夠濾去有害波段、實現(xiàn)可見光的跟蹤收集。室內(nèi)混合照明包括并列設(shè)置的太陽光室內(nèi)照明器5和電力照明燈具，每個太陽光室內(nèi)照明器5包括一個多面體散光球6和燈罩組成，電力照明燈具與正常的供電線路連接；光纖4為PMMA (polymethylmethacrylate聚甲基丙烯酸甲酯)材料制作，外徑為12mm、纖芯直徑為IOmm,光纖4前端與太陽光收集器聯(lián)通,光纖4末端與太陽光室內(nèi)照明器5連通，通過計算能夠獲得直光纖和彎曲光纖的損耗，進行合理布線；
參照圖2，太陽光收集器的結(jié)構(gòu)是，包括濾光球殼1、菲涅爾透鏡2、二次會聚透鏡3組成，濾光球殼I采用透明亞克力材質(zhì)半球罩封制而成，濾光球殼I的內(nèi)赤道面安裝有菲涅爾透鏡2，菲涅爾透鏡2背后設(shè)置有二次會聚透鏡3，二次會聚透鏡3的出光口與光纖4聯(lián)通，濾光球殼I下半體設(shè)置在跟蹤機構(gòu)的驅(qū)動架中；參照圖2、圖3、圖4，跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括五個傳感器和一個帶底座的半開放結(jié)構(gòu)的驅(qū)動架，在濾光球殼I的外赤道面對向太陽方向均勻安裝有四只光電傳感器(Al、A2、B1、B2),同時在濾光球殼I的外赤道面上還設(shè)置有一個對向太陽方向的細追蹤傳感器15 ;驅(qū)動架中設(shè)置有三個轉(zhuǎn)輪，起到傳動和支撐濾光球殼I的作用，其中一個是起支撐作用的被動轉(zhuǎn)輪9，另外兩個是相互正交的起驅(qū)動作用的全向輪A17和全向輪B18 (以下簡稱全向輪，兩個全向輪的轉(zhuǎn)動方向設(shè)置為一個沿Z軸、另一個沿Y軸)，根據(jù)角速度矢量合成原理，全向輪Al7和全向輪B18分別與各自的減速電機(即圖4中的Ml和M2 )傳動連接，四只光電傳感器、細追蹤傳感器15以及兩個減速電機(Ml和M2)均與單片機11信號連接。細追蹤傳感器15的型號為BH1750。跟蹤機構(gòu)默認設(shè)置為應(yīng)用于強光時的工作模式，四個光電傳感器的阻值約為幾千到幾十千歐，可調(diào)電阻的阻值設(shè)置為100歐，即只有在較強太陽光照下才能發(fā)出有效數(shù)值輸出，當太陽光照較弱時，此時輸出電壓約為電源電壓，則每一組的兩個光電傳感器均輸出電壓接近電源電壓的大小時，可認為是弱光環(huán)境，單片機11則控制整套裝置停止跟蹤。參照圖4，太陽光收集器在進行太陽光的跟蹤過程中，首先，開啟橫向方位(即東西方向)設(shè)置的兩個光電傳感器(Al、A2)，感知太陽的方位(光照最強的位置)，獲得太陽光的照射強度參數(shù)后上傳到單片機11進行處理，單片機11啟動減速電機Ml驅(qū)動相應(yīng)的萬向輪，根據(jù)兩個光電傳感器(Al、A2)獲得的光照強弱的差值大小，來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動時間的長短，當差值小于誤差要求時，理論上已經(jīng)跟蹤無誤，此時關(guān)閉減速電機Ml。然后，開啟縱向仰俯方向(即南北方向)設(shè)置的另外兩個光電傳感器(B1、B2)，工作方式同前述橫向的跟蹤過程類似，反復(fù)微調(diào)多次，直到非涅爾透鏡2正對太陽，此時，兩個方向設(shè)置的兩組光電傳感器電勢差均為零，即光電傳感器接收的光照度相同停止(兩組光電傳感器所圍成的面與非涅爾透鏡2平行)。由實驗測得水平方向(即方位角方向)跟蹤太陽時，電機持續(xù)轉(zhuǎn)動90°需要約12s，則可算出每秒轉(zhuǎn)7.5°，對于精細的跟蹤設(shè)計為每次轉(zhuǎn)動50ms，也就是精度達到0.375°，此時實測可以看見聚焦的光斑完全能集中到光纖端面上。豎直方向(即高度角方向)跟蹤時也能達到上述精度。參照圖1、圖4，控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括遠程設(shè)置的電腦10，電腦10通過互聯(lián)網(wǎng)與無線路由器13連接，無線路由器13與以太網(wǎng)接口的AP模塊14 (即無線接入模塊，作用是連接無線網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng))連接、AP模塊14與單片機11連接，單片機11還同時與上述的五個傳感器、兩個減速電機的電機驅(qū)動、光敏傳感器7以及攜帶wi f i模塊的燈具分別連接,攜帶wifi模塊的燈具與電力照明轉(zhuǎn)換器8連接，電力照明轉(zhuǎn)換器8與光敏傳感器7和電力照明燈具同時連接；控制機構(gòu)另外設(shè)置有藍牙16，藍牙16與手機12上的藍牙設(shè)備無線連接，藍牙16另外與攜帶wifi模塊的燈具開關(guān)無線連接，用于將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)通過藍牙方式傳出，利用近距離的手機12上的藍牙設(shè)備接收查看，同樣通過手機12直接控制攜帶wifi模塊的燈具開關(guān)動作，也能夠?qū)崿F(xiàn)近距離的控制功能。本發(fā)明裝置的工作過程是，當室內(nèi)太陽光的光照度達到設(shè)定閾值時，太陽光收集器開始工作，首先開啟兩組光電傳感器，用于粗略的定位，兩組光電傳感器分別采集太陽光信號發(fā)送至單片機11，單片機11處理后輸出的信號進入電機驅(qū)動器分別控制減速電機(Ml和M2 )轉(zhuǎn)動，分別帶動各自的全向輪(全向輪Al7和全向輪B18 )轉(zhuǎn)動，調(diào)整太陽光收集器朝向太陽的角度，最終使得非涅爾透鏡2正對太陽，太陽光經(jīng)收集后穿入光纖4被送入室內(nèi)的太陽光室內(nèi)照明器5 ;室內(nèi)的光敏傳感器7(環(huán)境照度傳感器)捕獲最大光照信號后再次反饋給單片機11，使定日校正動作停止；通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收和發(fā)射無線信號(參考圖1)，能讓用戶在遠端電腦或智能手機上檢測到室內(nèi)光照信息，并能對其開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)遠程控制；當室內(nèi)變暗房間光照度降破下限閾值時，光敏傳感器7接收到相應(yīng)信號，參數(shù)顯示的同時也輸出了動作信號給電力照明燈具的繼電器，繼電器打開220V電力照明電路的開關(guān)，啟動電力照明；若人員離開室內(nèi)，可轉(zhuǎn)為無線控制模式，通過藍牙或WIFI實現(xiàn)遠程開關(guān)控制。需要遠程操作時，操作人員通過電腦10登錄互聯(lián)網(wǎng)預(yù)設(shè)網(wǎng)頁，發(fā)送指令到無線路由器13，無線路由器13向搭載在單片機11和以太網(wǎng)接口的AP模塊14發(fā)送指令，AP模塊14再向攜帶wifi模塊的燈具發(fā)送開關(guān)燈動作指令，電力照明轉(zhuǎn)換器8打開或關(guān)閉電力照明燈具。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)方案包括如下4點:I)利用自編程序控制減速電機驅(qū)動菲尼爾透鏡自動追隨室外太陽位置，盡量保證菲尼爾透鏡的匹配尺寸、戶外安裝的結(jié)構(gòu)、低噪聲；實施例采用半徑為r=0.2m(S=0.1256m2)的圓形菲尼爾透鏡，按正常日照為1000W/m2的情況下約截獲125.6W太陽輻射能，濾去紅光紫光后，理論上還能夠剩下60W的太陽輻射能。2)太陽光收集器是一個全向機器人與球型機器人的創(chuàng)新型組合體:采用一組正交的全向輪來控制收集器的轉(zhuǎn)動，進行水平轉(zhuǎn)向運動與仰俯運動的動力學(xué)矢量耦合，簡化了控制系統(tǒng)程序設(shè)計上的難度，并有效降低了跟蹤路徑所消耗的時間與能量?；谀芰肯南碌睦窭嗜辗匠?，建立收集器的運動學(xué)方程，從而體現(xiàn)出本發(fā)明無云臺跟蹤結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。3)自然光照明與供電照明的自動切換:按照CIE (國際照明委員會CommissionInternationale de V Eclairage)設(shè)定的照度標準，以一般建筑區(qū)域的休息室為例，要求平均照度達到2001x，標準辦公環(huán)境所需平均照度為4001x。為了彌補夜間或陰天日光照明無法作業(yè)的不足，本系統(tǒng)將現(xiàn)有的供電照明與自然光照明結(jié)合，利用自行設(shè)計的控制程序，能使得自然光照明和電力照明自動切換，在光照不足時自動開啟電力照明，不影響整體照明系統(tǒng)的效果。4)利用物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)遙控開關(guān)和遠程控制照明的功能:利用物聯(lián)網(wǎng)中的無線控制技術(shù)，實現(xiàn)智能照明控制。自然光照明則利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的zigbee無線通信技術(shù)來消除火災(zāi)隱患以及線路不方便改動的缺點，同時使用者既可以通過PC或者手機登陸yeelink網(wǎng)頁來控制照明電路，又可以近距離通過WiFi和zigbee來控制無線照明電路，照明系統(tǒng)更加智能化。
權(quán)利要求
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，其特征在于:包括太陽光收集器、跟蹤機構(gòu)、室內(nèi)混合照明、光纖(4 )、控制機構(gòu)， 所述的太陽光收集器的結(jié)構(gòu)是，包括濾光球殼(1)，濾光球殼(I)的內(nèi)赤道面安裝有菲涅爾透鏡(2)，菲涅爾透鏡(2)背后設(shè)置有二次會聚透鏡(3)，二次會聚透鏡(3)的出光口與光纖(4)聯(lián)通，光纖(4)末端與太陽光室內(nèi)照明器(5)連通，濾光球殼(I)下半體設(shè)置在跟蹤機構(gòu)的驅(qū)動架中； 所述的跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括五個傳感器和一個驅(qū)動架，在濾光球殼(I)的外赤道面對向太陽方向均勻安裝有四只光電傳感器，同時在濾光球殼(I)的外赤道面上還設(shè)置有一個對向太陽方向的細追蹤傳感器(15 );驅(qū)動架中設(shè)置有三個轉(zhuǎn)輪，其中一個是被動轉(zhuǎn)輪(9)，另外兩個是相互正交的全向輪A (17)和全向輪B (18)，全向輪A (17)和全向輪B (18)分別與各自的減速電機傳動連接； 所述的控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)是，包括電腦(10)，電腦(10)通過互聯(lián)網(wǎng)與無線路由器(13)連接，無線路由器(13)與以太網(wǎng)接口的AP模塊(14)連接、AP模塊(14)與單片機(11)連接，單片機(11)還同時與上述的五個傳感器、兩個減速電機的電機驅(qū)動、光敏傳感器(7)以及攜帶wifi模塊的燈具分別連接，攜帶wifi模塊的燈具與電力照明轉(zhuǎn)換器(8)連接，電力照明轉(zhuǎn)換器(8)與光敏傳感器(7)和電力照明燈具同時連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制機構(gòu)設(shè)置有藍牙(16)，藍牙(16)與手機(12)上的藍牙設(shè)備無線連接，藍牙(16)另外與攜帶wifi模塊的燈具開關(guān)無線連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，其特征在于:所述的室內(nèi)混合照明包括并列設(shè)置的太陽光室內(nèi)照明器(5)和電力照明燈具，每個太陽光室內(nèi)照明器(5)包括一個多面體散光球(6)和燈罩，電力照明燈具與正常的供電線路連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，其特征在于:所述的濾光球殼(I)采用透明亞克力材質(zhì)半球罩封制而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的自然光、電力混合照明系統(tǒng)，包括太陽光收集器、跟蹤機構(gòu)、室內(nèi)混合照明、控制機構(gòu)，所述的太陽光收集器的結(jié)構(gòu)是，濾光球殼的內(nèi)赤道面安裝有菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡背后設(shè)置有二次會聚透鏡，二次會聚透鏡的出光口與光纖聯(lián)通，濾光球殼設(shè)置在跟蹤機構(gòu)的驅(qū)動架中；跟蹤機構(gòu)中，在濾光球殼的外赤道面對向太陽方向均勻安有四只光電傳感器和一個細追蹤傳感器；驅(qū)動架中的兩個全向輪分別與各自的減速電機傳動連接；控制機構(gòu)中的電腦與無線路由器及以太網(wǎng)接口的AP模塊連接、AP模塊與單片機連接，攜帶wifi模塊的燈具與電力照明轉(zhuǎn)換器連接。本發(fā)明裝置實現(xiàn)了人工控制采光、遠程及近程無線控制。
文檔編號G05D3/12GK103148436SQ20131004838
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者梅屹峰, 唐遠河, 張珺, 余洋, 唐榮俊, 宋凱, 付斌 申請人:西安理工大學(xué)