Енергоефективне керування безінерційним джерелом освітлення з використанням IoT-технології

Abstract

У статті розглянуто підхід до енергоефективного керування безінерційними світлодіодними джерелами освітлення, інтегрованими в локальну інформаційно-керуючу мережу на основі технологій Інтернету Речей. Показано, що світлодіоди, як безінерційні об’єкти, миттєво реагують на зміни керуючого сигналу, тому у разі наявності шумів сенсора та стохастичних затримок передавання даних у мережі виникає нестійка динаміка освітленості, мерехтіння та зниження комфортності сприйняття світлового середовища. Для усунення зазначених недоліків запропоновано алгоритм стабілізації світлового потоку, що ґрунтується на методі прямого порівняння виміряного значення освітленості з уставкою з подальшим удосконаленням регулювання за рахунок фільтра низьких частот та інтегруючої ланки. Такий підхід дозволяє одночасно пригнічувати шумові компоненти, компенсувати статичну похибку, підвищувати плавність перехідних процесів і зменшувати вплив затримок у каналах зв’язку. Алгоритм реалізовано у серверній частині системи за допомогою Node-RED з використанням мови JavaScript, що забезпечує можливість адаптації параметрів регулятора, ведення архівів і передачу керуючих дій на модуль Інтернету Речей через протокол ModBus TCP. Останній формує сигнали широтно-імпульсної модуляції для світлодіодного освітлювача та забезпечує апаратну частину керування. Для оцінювання роботи алгоритму створено модель у MATLAB Simulink, яка враховує нелінійні спотворення сенсора, зовнішні збурення, випадкові мережеві затримки та безінерційність світлодіодного пристрою. Результати моделювання демонструють стійку роботу системи, відсутність мерехтіння, плавну динаміку регулювання та незначну статичну похибку. Імплементація на реальному стенді підтвердила ефективність запропонованого підходу та його придатність до впровадження в системах автоматизованого керування освітленням у побутових, комерційних і виробничих приміщеннях.

The article presents an approach to energy-efficient control of non-inertial light-emitting diode lighting sources integrated into a local information-control network based on Internet of Things technologies. It is demonstrated that light-emitting diodes, being non-inertial devices, respond instantly to fluctuations in the control signal; therefore, sensor noise and stochastic communication delays lead to unstable lighting dynamics, visible flicker, and a decrease in the visual comfort of indoor environments. To eliminate these issues, a control algorithm for stabilizing the luminous flux is proposed. It is based on the direct comparison between the measured illuminance and the setpoint, with further enhancement through the use of a low-pass filter and an integrating element. This combined structure suppresses noise components, compensates for static error, smooths transient processes, and reduces the negative effects of communication delays within the network. The algorithm is implemented on the server side of the system using the Node-RED platform and JavaScript, which enables flexible parameter tuning, data logging, and transmission of control commands to an Internet of Things module via the ModBus TCP protocol. The Internet of Things module generates pulse-width modulation signals for the light-emitting diode lighting device and executes control actions at the hardware level. To evaluate the effectiveness of the proposed method, a MATLAB Simulink model was developed, incorporating sensor distortions, external disturbances, random network delays, and the non-inertial behaviour of light-emitting diode devices. Simulation results demonstrate stable system performance, the absence of flicker, smooth transient responses, and negligible steady-state error. Experimental validation on a physical test bench confirmed the applicability and reliability of the proposed control strategy for automated lighting systems in residential, commercial, and industrial environments that require energy-efficient and stable light-emitting diode illumination.