基于物聯(lián)網(wǎng)樓房照明系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

耿 達(dá)

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基于物聯(lián)網(wǎng)樓房照明系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

耿 達(dá)

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

能源成為社會的熱點話題，如何將能源資源進(jìn)行合理化配置成為技術(shù)的鍵所在。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)科技的應(yīng)用為人們的生活提供了技術(shù)保障，本文基于目前的熱點領(lǐng)域結(jié)合專業(yè)方向，設(shè)計和實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)樓宇照明控制系統(tǒng)，以希實現(xiàn)智能化控制與自動化調(diào)控，確保節(jié)約成本的同時，提升照明質(zhì)量與效率。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；樓房照明系統(tǒng)；資源；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

照明系統(tǒng)受傳統(tǒng)地域差異、時間、環(huán)境等差異的影響，導(dǎo)致原始的照明方式無法發(fā)揮全部功能[1]，本文基于傳統(tǒng)照明方式上結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對樓房照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，確保照明系統(tǒng)擁有智能化、自動化、高效性、普遍適用性等諸多性能，從而滿足當(dāng)今人們對于新科技與該系統(tǒng)的需求與應(yīng)用。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

對于物聯(lián)網(wǎng)，通常的解釋是將所有的物品全部與互聯(lián)網(wǎng)相連接，物品借助安裝的紅外感應(yīng)、RFID 以及GPS定位等裝置，通過不同的傳感設(shè)備，實現(xiàn)信息的實時收集，主要包括監(jiān)控、連接與互動物體的相關(guān)信息，利用移動網(wǎng)絡(luò)或其他手段使之與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)而組成更加智能化的大型網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)主要為了實現(xiàn)物品與物品、物品與人、全部物品與互聯(lián)網(wǎng)之間的連接，使得監(jiān)控與管理工作更加簡便，可以通過電腦、手機等智能終端實現(xiàn)對物體的智能化監(jiān)控，對重要信息的收集與分析。物聯(lián)網(wǎng)利用智能感知和識別技術(shù)同之前的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，被稱之為全球信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的第三次革命，前兩次分別是計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

到目前為止，可以根據(jù)功能的不同將物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分為三個層次，這三個層次分別是感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層處于結(jié)構(gòu)的底層，其職能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集；網(wǎng)絡(luò)層處于結(jié)構(gòu)的中間層，其主要功能是實現(xiàn)信息的多路傳遞和多路交換；應(yīng)用層處于結(jié)構(gòu)頂層，以底層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)應(yīng)用的多樣化，同時實現(xiàn)對中間層及底層的管理功能。

1.2 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee是一種新推出的新型無線自組網(wǎng)技術(shù)[2]。隨著科技水平的提升，通信行業(yè)也在不斷地進(jìn)步。從有線技術(shù)到無線技術(shù)，通信行業(yè)經(jīng)歷了巨大的改革。ZigBee技術(shù)是以IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)研發(fā)成功的新型通信技術(shù)。在這一技術(shù)中包含了四中協(xié)議層，分別是物理層，媒體訪問層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。IEEE802.15.4只針對物理層和媒體訪問層的協(xié)議進(jìn)行了規(guī)定。其余的兩種協(xié)議是由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟來制定的。除此之外，ZigBee技術(shù)聯(lián)盟針對網(wǎng)絡(luò)層做了標(biāo)準(zhǔn)化處理。在無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點最多可以連接255個終端節(jié)點，所以說通過這些節(jié)點構(gòu)成的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對路由的數(shù)目是沒有限制的。與此同時，ZigBee技術(shù)聯(lián)盟在此技術(shù)上開發(fā)出了安全層。這樣一來，對于無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有著更嚴(yán)格的要求。

1.3 LED調(diào)光技術(shù)

LED稱之為半導(dǎo)體光源，由于其具有諸多優(yōu)勢，為我國光源研究歷程上重要的突破與里程碑，具有較大的指導(dǎo)意義。以半導(dǎo)體材料為主要機制的固態(tài)燈源，即可稱之為LED燈[3]。此外，輔以金屬材料進(jìn)行密封處理，這類燈具有低壓直流這一特性。若從性能角度進(jìn)行分析，LED具有較好的發(fā)光性能、低耗能性能、單色性能，同時還具有色差調(diào)控、環(huán)保耐用、安全可靠、周期長等諸多優(yōu)勢，可應(yīng)用于生活與生產(chǎn)中。其具體參數(shù)為：單管功率0.03-0.06瓦；50-200流明；10萬小時使用時長。值得注意的是，該類燈源為傳統(tǒng)白熾燈耗電量的1%左右，與熒光燈相比也具有較好的性能，因此被廣泛應(yīng)用。

2 需求性分析

在本文中選擇學(xué)校的教學(xué)樓進(jìn)行研究，樓內(nèi)主要分布著教室、大廳、樓梯、走廊、電梯間、衛(wèi)生間、閱覽室等多種場合，每種場合對照明都有著各自的需求。教室中選擇40 W的熒光燈進(jìn)行照明，利用手動開關(guān)對其工作狀態(tài)進(jìn)行控制。走廊中同樣安裝有手動控制的熒光燈。如果樓內(nèi)的照明設(shè)備出現(xiàn)故障，需要利用人工進(jìn)行排查，從而導(dǎo)致走廊燈長期損壞無人維修的情況時常發(fā)生，照明管理十分混亂[4]。除此之外，有時候自習(xí)室沒有人、光線充足或夜間無人的情況下也會亮著燈。

2.1 經(jīng)濟(jì)可行性

在此次設(shè)計的照明系統(tǒng)中，投入比較多的有兩方面，一是針對系統(tǒng)決策方案進(jìn)行細(xì)致分析，得出其中的缺陷，從而進(jìn)一步對其進(jìn)行改進(jìn)。此外在對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的時候需要大量掌握相關(guān)專業(yè)知識與技術(shù)的人才，所以需要比較大的人力投資。另一方面是硬件部分需要相對較多的投入。雖然前期需要比較多的投資，但系統(tǒng)一旦開完完成進(jìn)行應(yīng)用就會帶來更多的利益，因此，可以說以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)出的照明控制系統(tǒng)具有非常高的現(xiàn)實價值，除此之外，在優(yōu)化模型基礎(chǔ)上得到的照明控制方案對今后照明的智能化發(fā)展提供非常有價值的參考[5]。

2.2 技術(shù)可行性

硬件上，使用CC2530芯片對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，LED光照調(diào)節(jié)模塊選擇使用PWM；軟件上，利用IAR對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，使用MySQL數(shù)據(jù)庫軟件，網(wǎng)頁端的數(shù)據(jù)查詢功能利用EasyUI框架進(jìn)行設(shè)計。上述提到的這些內(nèi)容，在實際應(yīng)用中都非常常見，所以可以得出結(jié)論，此系統(tǒng)的開發(fā)工作從技術(shù)角度來分析是可行的。

3 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)過程

3.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

教學(xué)樓中的照明系統(tǒng)的主要職責(zé)就是為教室提供照明，除了上課以外，教室更大的用途就是為學(xué)生自習(xí)提供場所，所以說教室內(nèi)的人員數(shù)量一般比較多，并且流動性大，因此其對照明系統(tǒng)有著更高的需求，不僅要起到照明的效果，還要為老師和學(xué)生的活動提供方便，與此同時還要盡可能的降低資源消耗，起到節(jié)能環(huán)保的目的。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

將用于測試光照度等參數(shù)的與照明相關(guān)的一些列傳感器安裝在建筑物內(nèi)部，無線傳感網(wǎng)就是由這些設(shè)備構(gòu)建完成的，實現(xiàn)“感知-決策-照明”三步一體的控制體系[6]。對燈具照明起到輔助調(diào)控的目的。

按照功能上的差異可以將照明系統(tǒng)劃分為四個部分，分別是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)顯示、燈具控制和服務(wù)器模塊。

3.3 硬件設(shè)計

（1）節(jié)點結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件為照明系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊與核心基礎(chǔ)，其主要功能是控制照明的時間與開關(guān)，主要借助多種類型的傳感器完成監(jiān)測本文的主要研究對象為傳感器與燈具兩部分，通過對節(jié)點的合理改良實現(xiàn)提升照明性能這一目標(biāo)。前者的主要組成部分有：單片機、ZigBee協(xié)議的發(fā)射裝置、存儲裝置等，其優(yōu)勢與適用性較為突出[7]，如：覆蓋性較廣、信號穩(wěn)定且精準(zhǔn)、消耗功率低、簡單便捷、維修率低等，下圖1為其具體組成圖示。

圖1 傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）通信接口

1）傳感器、燈具的控制裝置與開關(guān)等

傳感器、燈具的控制裝置與開關(guān)等均需符合嚴(yán)格的質(zhì)量要求與規(guī)范，即ZigBee相關(guān)的協(xié)議，且采用國際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率2.4 GHz進(jìn)行傳輸[8]。

2）網(wǎng)關(guān)與相關(guān)的服務(wù)模塊

此模塊需同時擁有無線傳輸裝置與網(wǎng)絡(luò)連接裝置，并與校園網(wǎng)進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)交換與更新，同時終端服務(wù)器可對此進(jìn)行更改與調(diào)控。

（3）節(jié)點設(shè)計

具體設(shè)計方案如圖2，教室鄰近的走廊處安裝兩個傳感器，此傳感器屬于人體熱釋類型，主要作用是辨別門口處是否存在相關(guān)人員；此外，門內(nèi)也安裝同類型傳感器兩個，作用基本一致。內(nèi)部的燈具均屬于LED類型，固定于天花板各處，經(jīng)實際測算與設(shè)計改進(jìn)，確定此類燈具的規(guī)格選取20瓦最為合理，依據(jù)教師結(jié)構(gòu)與照明需要，燈距均為3米。同時，天花板需設(shè)立相應(yīng)的光照類型的傳感器，確保其具有較好的精度與靈敏度，可對燈具的狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測與反饋，因此需依據(jù)教室的結(jié)構(gòu)與實際面積進(jìn)行設(shè)計，此外，傳感器的數(shù)量應(yīng)處于合理范圍內(nèi)，既可實現(xiàn)感光的有效性，又避免了人力物力的浪費。

圖2 節(jié)點設(shè)計示意圖

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該軟件主要使用B/S結(jié)構(gòu)[9]完成運行工作，服務(wù)器的功能較為齊全，包括：存儲與輸入、識別、提供方案等，同時可接受用戶的請求，并輸出較為直觀的圖表數(shù)據(jù)。

（1）照明設(shè)計

具體流程與步驟如下所述：一是數(shù)據(jù)的讀取與分類，通過對室內(nèi)室外的傳感器數(shù)據(jù)的匯總，得出室內(nèi)有無相關(guān)人員；二是照明的調(diào)控與改善，將室內(nèi)人員分布信息進(jìn)行分析，通過調(diào)節(jié)燈具的狀態(tài)使照明方案更為合理化；三是檢驗與校正，確保指令的有效執(zhí)行與落實。

圖3 照明設(shè)計

（2）節(jié)點管理模塊設(shè)計

節(jié)點管理模塊面向的使用對象主要是管理人員，為他們提供對傳感器和節(jié)點照明的管理操作，主要的針對節(jié)點進(jìn)行添加、刪除、維護(hù)和查找等操作。除此之外，還能夠?qū)ο到y(tǒng)的照明能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，并對傳感器和燈光節(jié)點進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，如果出現(xiàn)問題時，就會及時通知相關(guān)的管理人員，同時對數(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)不正常的節(jié)點進(jìn)行刷新。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

該模塊的主要作用是為系統(tǒng)和節(jié)點提供信息傳遞的橋梁[10]，具體來說可以將其分為三個數(shù)據(jù)交互功能，一是同傳感器進(jìn)行溝通，也就是從傳感器上獲得相應(yīng)的信息；二是將系統(tǒng)命令傳遞給燈具控制 設(shè)備；三是為終端和協(xié)調(diào)器兩種節(jié)點提供信息傳輸路徑。

4 結(jié)論

在當(dāng)前提倡可持續(xù)發(fā)展發(fā)展時代，能源稱為一項重要課題，如何合理地運用配置能源是技術(shù)上的關(guān)鍵所在。隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛的運用[11]。本文正是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對如何完善傳統(tǒng)的樓房照明系統(tǒng)，使其盡可能發(fā)揮全部功能進(jìn)行技術(shù)分析。在本文中主要針對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的ZigBee技術(shù)、LED照明及調(diào)光技術(shù)進(jìn)行了較為全面的學(xué)習(xí)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)，將收集到的全部數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)器，依照設(shè)定好的算法制定出相應(yīng)的照明方案，并及時進(jìn)行響應(yīng)。

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Design and Implementation of Building Lighting System Based on Internet of Things

GENG Da

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Energy has become a hot topic in society. How to rationalize the allocation of energy resources has become the key of technology. The application of Internet of Things technology and technology provides technical guarantee for people's life. Based on the current hot areas and professional direction, this paper designs and implements a building lighting control system based on Internet of Things technology, in order to realize intelligent control and automatic control, ensure cost savings, and improve lighting quality and efficiency.

Internet of things technology; Building lighting system; Resources; System design

TP391.44

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.050

耿達(dá)(1993-)，男，碩士學(xué)歷，單位：上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院。

耿達(dá). 基于物聯(lián)網(wǎng)樓房照明系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)[J]. 軟件，2018，39（12）：222-225