物聯網技術的辦公樓宇照明節能用電系統

鄭陽平，景 妮

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

物聯網技術的辦公樓宇照明節能用電系統

鄭陽平，景 妮

(承德石油高等專科學校計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

依據現有辦公樓宇照明方式的用電特點，以物聯網技術為核心，充分利用ZigBee無線傳感網絡的短距離、低復雜度、低功耗、低速率和低成本的特點，研究設計出基于物聯網ZigBee技術的節能照明用電系統，有效地避免了辦公樓宇傳統用電的管理落后，能源浪費等缺點，改善辦公樓宇照明用電系統，實現節能環保。

辦公樓宇，照明用電，節能，ZigBee，物聯網

能源的開發和控制是一個世界性的課題，我國在用電方面正面臨著長期性的電力短缺和緊張局面，隨著《中華人民共和國節約能源法》、《節約用電管理辦法》、《國務院辦公廳關于開展資源節約活動的通知》等相關政策、法規的相繼出臺，鼓勵各用電單位采用好的方式加大節能技術改造，加大對用電單位相關考核監督力度，共同促進資源節約型社會的建設。現階段日常生活中，人們對節能的重視程度還不夠，我國眾多的辦公樓宇的用電浪費更為突出。本文利用物聯網技術，針對辦公樓宇照明用電系統進行研究，設計出節能環保的辦公樓宇照明用戶系統，有效地避免了傳統照明用電管理落后，個人意識淡薄造成電力能源浪費等缺點，促進節約型辦公環境改進和發展。

1 辦公樓宇照明現狀與節能用電的必要性

我國辦公樓宇眾多，基數也很大，節能環保尤為突出，辦公樓宇的照明系統在能源管理中，約占辦公樓宇能耗的25%左右，而且照明是最容易浪費的能源之一，采用先進的技術，對其進行智能控制和優化十分重要。辦公樓宇照明系統主要分為辦公室照明，會議室照明、走廊、樓梯、衛生間等。樓宇能耗現狀如下:

1)一組來自國家有關部門的調查數字顯示:我國樓宇年電力消耗總量占全國總消耗量的10%，能源費用超過800億元，尤其在大型公共樓宇中，空調和照明是最大的兩個“電老虎”。目前一些辦公樓宇，雖然也采用節能燈等用電設備，但缺乏智能統一控制管理，造成辦公樓宇耗電日益增加。

2)落后的電力能源分配管理模式，導致樓宇管理者僅從保障人員及設備的安全角度對電能進行分配和管理，從不著眼于用電設備的效率和使用成本來進行精益管理;在照明控制方面，比較單一，只有開和關兩種狀態。

3)個別人安全節能意識淡薄，素質差異也造成較大程度的用電浪費。像“長明燈”，“24 h計算機”等現象屢見不鮮，比比皆是。

4)樓宇整體節能，是政府及各企事業單位“節能減排”形象工程的首選。樓宇能耗降低必將作為政府及各企事業單位的形象工程和重點工程予以實施，采用高科技手段對能耗設備進行節能控制，包括照明、辦公設備等，將是樓宇能耗控制的主要途徑。

因此，隨著物聯網技術的快速發展，利用先進的科學技術研究和設計辦公樓宇照明控制系統來克服傳統照明控制方法的不足是非常有必要的。

2 應用技術分析

2.1 物聯網技術

物聯網技術是在互聯網技術基礎上的延伸和擴展的一種網絡技術，其用戶終端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，將物品與互聯網相連接，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡技術，實現物與物的通信［1］。

2.2 ZigBee技術

ZigBee技術是利用蜜蜂與同伴傳遞花粉所在的方位信息的仿生學原理，開發出一種無線組網通信技術;它是一種低速無線局域技術，是近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，主要適用于通信數據量不大，數據傳輸速率低，分布范圍較小，對數據安全有一定要求的，而且成本和功耗非常低，易于安裝的場合;ZigBee采用的標準是2003年5月發布的IEEE802.15.4，定義了物理層和MAC子層。有較為靈活的工作頻段，2.4 GHz是全球流行和通用的工作頻段，還有868/915 MHz頻段，分別適用于歐洲和美國，2.4 GHz頻段里有16個信道，數據傳輸速率達250 kbit/s，868 MHz頻段有一個信道，數據傳輸速率達20 kbit/s，915 MHz頻段有10個信道，數據傳輸速率達40 kbit/s，通訊距離從標準的10～75 m，可以拓展到幾hm、幾km，支持無限擴展和延伸［2］。

3 辦公樓宇照明節能系統的架構

為實現辦公樓宇照明系統的節能，從會議室照明用電，辦公室照明用電和公共區域照明用電(走廊、樓梯、衛生間等)三個方面入手，優化和設計辦公樓宇智能節能控制系統，系統架構如圖1所示。本系統采用ZigBee自組網的方式，由路由或協調節點、終端節點組成星型網絡拓撲結構，將會議室照明終端節點、辦公室照明終端節點和公共區域照明終端節點連成一個無線傳感網絡。通信最大距離75 m可以覆蓋整個辦公樓宇，ZigBee網絡最大可以擁有256個網絡終端也滿足整個辦公樓宇照明的需要。基于ZigBee技術的辦公樓宇節能用電系統，使用簡單方便，控制靈活，能夠根據環境改變對照明用電進行實時監控，達到智能控制，實現節能環保。

1)控制中心

控制中心為了便于用戶管理和控制辦公樓宇照明用電系統，增加一臺計算機，與協調節點連接，用來監控辦公樓宇整個網絡，可以查看各個終端節點的工作狀態，既可以設置辦公樓宇中各個終端節點的照明模式，又可以發送辦公樓宇的控制信號，控制中心通過RS232總線與協調節點連接，協調節點和傳感器節點之間通過ZigBee無線傳感網絡實現信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的感知和處理并傳送給協調節點，控制中心通過獲取采集到的相關信息，實現對辦公樓宇現場照明用電進行的有效控制和管理。

2)會議室照明子系統

會議室照明系統要做到整體規劃，統一管理控制，安裝多種類型的傳感器的ZigBee節點。①②③④四個紅外傳感器來判斷進出會議室的人員，并統計會議室的人數。按照從①到②，或者從③到④的順序，檢測進入會議室的人員，每次感應計數器增加1;按照從②到①，或者從④到③的順序，檢測離開會議室的人員，每次感應計數器減1;⑤號傳感器安裝在主席臺的上方，檢測控制主席臺的光線，還可以根據是否使用投影來控制會議室的照明模式。⑥⑦⑧⑨⑩○11六個紅外傳感節點負責會議室參會人員定位，根據傳感器采集到的信息，判斷該傳感器附件是否有人，如果有人，送控制中心，打開此區域的燈光。如果該傳感器附件沒有人，則關閉該區域的燈光。當然，會議室實際安裝的紅外傳感器的個數和位置，必須依據傳感器的覆蓋范圍及會議室空間的大小來確定。而且組織會議時，盡可能讓參會人員向前排集中而坐，避免會場人員分散而坐。 和 是兩個光感傳感器節點，負責光線強度的判斷， 安裝在室內， 安裝在室外，根據兩個節點采集信息，判斷是否要開啟室內燈光。會議室照明用電控制流程如圖2所示。

3)辦公室照明子系統

辦公室照明是辦公樓宇的主體部分，節能控制比較重要。為了統一管理控制，需要安裝多種類型的傳感器的ZigBee節點。辦公室一般只有一個門，所以利用○12○13兩個紅外傳感器來判斷進出辦公室的人員，并統計辦公室的人數。按照從○12到○13，檢測進入辦公室的人員，每次感應計數器增加1;按照從○13到○12，檢測離開辦公室的人員，每次感應計數器減1;如果辦公室沒有人，而且室內光線符合開燈條件時，則當辦公室人員離開后延時5分鐘關閉辦公室照明燈光，以避免頻繁開關燈具，影響燈具的壽命。○14○15兩個紅外傳感節點負責辦公人員的定位，根據傳感器采集到的信息，判斷辦公人員是在會客區域，還是在辦公區域，根據室內光線的強弱，打開或關閉對應區域的燈具。 和 是兩個光感傳感器節點，負責光線強度的判斷，分別安裝在室內和室外，根據兩個節點采集信息，判斷是否要開啟室內燈具。辦公室照明用電控制流程和會議室照明用電控制流程基本相同。為了避免白天辦公室拉上窗簾后一片漆黑的情況，建議將室內的傳感器安裝在窗簾拉上能遮住的地方。

4)公共區域照明子系統

公共區域照明主要包括走廊、樓梯和衛生間的照明用電。均以聲控為主，以光感輔。在走廊、樓梯和衛生間均安裝聲音傳感器節點和光感傳感器節點，利用光傳感器的亮度檢測進行優先控制，然后利用聲控傳感器采集到的信息，決定燈光是否開啟。所有終端節點通過ZigBee無線連接到協調節點，通過協調節點與控制中心連接，實現控制命令的傳遞。

基于物聯網技術的辦公樓宇照明節能用電系統是利用物聯網技術，通過ZigBee無線傳感器網絡，將無線傳感器終端節點和協調節點組成的分布式星型網絡，對采集到的數據信息、進行分析和處理，通過ZigBee將信號無線傳輸到各個辦公的協調器節點，由協調器節點將信息通過RS232總線傳送到控制中心的計算機上，由控制中心的計算機確定啟動相應的照明模式，經協調器節點，到達會議室終端節點、辦公室終端節點和公共區域終端節點，實現辦公樓宇燈具的開啟、關閉及亮度控制，達到辦公樓宇照明節能控制的目的。

4 結束語

基于ZigBee技術的節能用電系統，在使用上簡單方便，控制靈活，能夠根據環境改變對用電設施實時控制，并最大限度地節約電能，并能方便地應用到各類辦公樓宇。不但節約了能源，而且也帶來社會經濟效益和社會效益。更重要的是ZigBee設備功耗低、成本較低、工作穩定、網絡容量大，并且工作頻段靈活，不易受到干擾，它能夠以兩節五號電池工作長達6-24月的時間，換取30%左右電量的節約，值得應用和推廣。可以推廣到家居住宅、圖書館、商場等領域，為我國節能用電方面做出貢獻。

［1］物聯網技術［EB/OL］.http://baike.baidu.com，2013.

［2］IEEE802.15.4，Part15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specification for low-rate wireless personal area network［EB/OL］.http://www.zigbee.org，2004.

［3］徐立波，鮑可進.智能節能用電系統的研究與設計［J］.計算機工程與應用，2011(6):55-57，112.

［4］周曉偉，蔡建平，鄭增威，等.基于ZigBee傳感網的樓宇智能照明控制系統的設計與實現［J］.計算機工程與科學，2009(8):150-152，155.

［5］張緒偉，段培永，李連防，等.基于ZigBee網絡的校園照明控制系統的設計［J］.信息技術與信息化，2008(4):90-91，109.

Electrical System for Office Building Lighting Energy Saving Based on the Internet of Things Technology

ZHENG Yang-ping，JING Ni

(Department of Computer and Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Based on the existing office buildings lighting electrical characteristics and the Internet of things technology，the paper makes full use of short distance，low complexity，low power consumption，low rate and low cost of ZigBee wireless sensor network to design the energy saving lighting electricity system，and effectively avoids the traditional power management，energy waste and other shortcomings in office building，which improves the electricity system of office building lighting，and realizes energy saving and environmental protection.

office building;electric lighting;energy saving;ZigBee;the internet of things

TU113.6

B

1008-9446(2014)01-0035-04

承德市科學技術研究與發展計劃項目(基于物聯網技術的辦公樓宇照明節能用電系統的研究):201121147

2013-11-11

鄭陽平(1979-)，男，陜西洛川人，承德石油高等專科學校計算機與信息工程系講師，主要從事計算機網絡和計算機控制教學與研究。