綠色建筑智能照明控制系統(tǒng)研究綜述＊

孫啟凱，汪明，張寶瑞，謝浩田

(山東省智能建筑技術(shù)重點實驗室山東建筑大學信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

19世紀80年代，用電加熱燈絲發(fā)出可見光的白熾燈橫空出世，人類進入了電氣照明時代，電光源照亮了無數(shù)個需要光亮的空間。1959年，鹵素燈的發(fā)明解決了白熾燈燈泡發(fā)黑的問題，光源壽命和效率都有了提升。三基色熒光燈的光效更高、顯色性更好，緊湊型熒光燈逐步取代了傳統(tǒng)的白熾燈。隨著綠色建筑逐漸進入人們的視野，節(jié)能高效的LED 照明產(chǎn)品得到普遍推廣，打破常規(guī)電照明觀念的光導(dǎo)照明系統(tǒng)也開始得到初步應(yīng)用，照明光源的質(zhì)量和效率得到進一步提升。

照明光源發(fā)展進步的同時，照明控制系統(tǒng)也在升級更新。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)缺乏對服務(wù)環(huán)境的全面感知，難以很好地滿足綠色建筑對照明系統(tǒng)燈光分區(qū)控制、智能照明控制的節(jié)能環(huán)保要求，同時也沒有考慮人員舒適性的需求。運用各種傳感器檢測環(huán)境參數(shù)、利用各種數(shù)字通信方式組網(wǎng)通訊、采用設(shè)計有智能算法的先進控制器的智能照明控制系統(tǒng)在綠色建筑中逐漸展現(xiàn)傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

1 智能照明控制系統(tǒng)概述

智能照明系統(tǒng)在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能控制等先進技術(shù)進行改造升級，使得照明系統(tǒng)的控制和管理更加便捷，可以創(chuàng)造滿足人的個性需求或使人眼的光感覺處于舒適區(qū)間的光環(huán)境，有效減少需求外的電能消耗，提高照明系統(tǒng)運行效率，滿足節(jié)約環(huán)保的要求。

智能照明系統(tǒng)之所以智能，主要在于其控制系統(tǒng)，合適的控制系統(tǒng)使得建筑照明系統(tǒng)能夠按需工作，智能人性化且節(jié)能。除了選用高效光源外，智能照明系統(tǒng)主要從控制系統(tǒng)改進方向出發(fā)進行設(shè)計，其改進重點體現(xiàn)在：設(shè)計使用智能控制器、提高自然光利用率、通過傳感方式將人作為輸入信號、考慮人的使用習慣和考慮人體舒適度、對身體健康的影響等方面，因此，本文圍繞智能照明系統(tǒng)的控制系統(tǒng)改進，按圖1所示的結(jié)構(gòu)展開綜述。

圖1 控制系統(tǒng)改進展開圖

2 智能照明控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計使用智能控制器

僅依靠簡單開關(guān)或固定的時間表等去實現(xiàn)照明系統(tǒng)的開關(guān)控制已經(jīng)遠遠不能滿足人們對照明系統(tǒng)的智能和節(jié)能的需求，許多科研人員開始設(shè)計基于傳感器和智能算法的、以單片機或微型電腦為核心的智能控制器，已應(yīng)用于照明系統(tǒng)的控制。Arduino就是一種常用的微控制器，因其具有簡便的編程環(huán)境IDE 和豐富的I/O 接口且價格低廉，深受開發(fā)者的歡迎，在智能照明系統(tǒng)設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。

Li等采用Arduino 作為主控制器，結(jié)合紅外電感式傳感器和光傳感器，以WiFi 網(wǎng)絡(luò)為通訊方式，實現(xiàn)辦公照明自動延時關(guān)閉控制和調(diào)光功能。Akinwole等設(shè)計了基于Arduino 微控制器的自動照明控制系統(tǒng)，使用LDR 光敏電阻傳感器來感知照明水平，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)自動操作照明系統(tǒng)。Mariappan 等提出一種基于Arduino 的照明互聯(lián)網(wǎng)（IoL）網(wǎng)關(guān)，使照明系統(tǒng)可以連接到網(wǎng)絡(luò)，并且可以從集中式系統(tǒng)或云端進行監(jiān)控和控制。

這些智能照明系統(tǒng)所用的微控制器的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 微控制器優(yōu)缺點對比

2.2 傳感器實現(xiàn)智能感知

自然光是免費的優(yōu)質(zhì)光源，不需要考慮采光的成本和污染問題，并且自然光的頻率是在時刻變化的，相較于頻率固定的人工光源，人在自然光環(huán)境下更不易產(chǎn)生疲勞感。因此，無論是在設(shè)計智能照明控制系統(tǒng)時，還是在建筑設(shè)計初期，都應(yīng)該考慮充分利用自然光照明。有關(guān)這方面的研究都會涉及檢測外界光環(huán)境，控制上主要從兩個大方向出發(fā)，一是通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)人工光源，二是將照明系統(tǒng)與遮陽系統(tǒng)中的遮陽棚、窗簾、百葉窗等聯(lián)動。

Seyedolhosseini 等將日光照度用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的偏置值，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析確定每個燈具的輸出通量以進行區(qū)域照明控制。Wang綜合考慮光照度和光照均勻性，使用基于梯度下降的智能照明控制算法，使用戶在不同場景下對均勻性的滿意度接近1，對照度的滿意度也能滿足需求。Chiesa 等以樹莓派為核心設(shè)計了結(jié)合遮陽系統(tǒng)控制自然和人造光的平衡的一套智能照明控制系統(tǒng)。Sun 和Yu提出了一種基于分布式多智能體框架的室內(nèi)智能照明控制方法，根據(jù)占用情況和室內(nèi)外光環(huán)境對燈具和百葉窗進行控制。

照明需求是因人的存在而產(chǎn)生的，因此可以通過各種傳感方式獲取建筑空間內(nèi)人的動作、人數(shù)和位置等信息作為控制器的輸入信號，優(yōu)化控制以達到按需照明、節(jié)約能源的目的。

在檢測人的動作方面，F(xiàn)eng 等設(shè)計的智能照明控制系統(tǒng)可以通過熱釋電紅外傳感器檢測是否有人路過來控制LED 燈亮滅。Mahbub 等以設(shè)計和實現(xiàn)一個能夠感知人體存在的智能照明系統(tǒng)為目標，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的實時監(jiān)測智能照明系統(tǒng)。Hajjaj等設(shè)計通過使用傳感設(shè)備檢測辦公桌的占用情況，尋找智能照明系統(tǒng)的最佳模型以節(jié)省能源。

在檢測人數(shù)方面，查成源等采用漫反射光電傳感器實現(xiàn)對室內(nèi)人數(shù)的測量，并根據(jù)光敏傳感器獲取的室內(nèi)光照強度進行智能照明控制，不僅可以實現(xiàn)人來自動開燈、人走自動關(guān)燈的控制，而且可以根據(jù)室內(nèi)人數(shù)自動開啟對應(yīng)數(shù)量的燈光。

檢測人員位置方面，Luo 等通過優(yōu)化的復(fù)雜環(huán)境下電磁波在自由空間的傳輸模型獲得了人員的位置分布，以自動開啟或關(guān)閉相應(yīng)的燈光，其系統(tǒng)錯誤率低于2%，且能夠?qū)⑹覂?nèi)照明的能效提高至少15%。陳寒梅等基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合封閉體人員定位算法獲取室內(nèi)人員實時定位，通過對照明需求區(qū)域的局部照明調(diào)節(jié)，既保證照明質(zhì)量又節(jié)約用電。

本文所綜述到的智能照明系統(tǒng)應(yīng)用的傳感方式如表2所示。

表2 傳感方式及使用目的

2.3 以人為本的控制策略

控制系統(tǒng)的改進應(yīng)該將使用者的行為習慣考慮在內(nèi)，Kiran 等對家庭照明的研究表明，居民家中看似浪費的照明，可能發(fā)揮著除照明外的特殊作用，比如避免視覺或?qū)徝郎系牟贿m、讓家更有吸引力、讓外面的人受益、增加安全感等。因此，如果我們僅僅從節(jié)能角度出發(fā)而選擇關(guān)掉這些照明，顯然是不智能的。Chen 等的研究表明考慮居住者行為習慣的智能照明控制系統(tǒng)的節(jié)能范圍可達到43%-71%。Gilani等對私人辦公室照明能耗的研究表明，手動控制系統(tǒng)的照明用電量較占用開啟-空閑關(guān)閉的自動控制減少了七成，他們認為監(jiān)測人員與建筑的交互情況以了解人員的使用習慣可以為照明系統(tǒng)節(jié)能提供一條新思路。

人員如果長時間處在不符合人眼舒適特性的光環(huán)境下會產(chǎn)生視覺疲勞，可能會影響其視力健康和行動效率，而在進行照明控制系統(tǒng)智能化設(shè)計時，以往的很多研究都存在偏重于節(jié)能而忽略照明系統(tǒng)的服務(wù)對象——“人”的舒適度和健康水平的問題，一些研究者對此問題進行了補充設(shè)計。

以人為本的照明（HCL）是智能照明系統(tǒng)設(shè)計的一個主要焦點，旨在為智能建筑提供節(jié)能和令人產(chǎn)生和保持積極情緒的照明。Yang 等使用單片機通過無線通信技術(shù)進行照明控制，對家庭照明進行強度、色彩的多種搭配設(shè)置，滿足人們在不同照明模式下對光照度的要求。Byun 和Shin提出了一種考慮住戶滿意度的節(jié)能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合空間特點和住戶行為模式，通過控制照明控制參數(shù)，兼顧提高了能源效率和住戶滿意度，可減少高達43%的能源消耗。

此外，也有人關(guān)注如何減少照明系統(tǒng)的電磁輻射帶來的問題。Briushinin 等設(shè)計的智能照明系統(tǒng)通過對房間不同區(qū)域照度值數(shù)據(jù)進行比較以確定照明元件上電壓的最佳值，不僅為工作人員的眼睛提供了舒適健康的光環(huán)境，而且可至少節(jié)約15%的電能。

3 智能照明控制系統(tǒng)展望

在未來，智能照明控制系統(tǒng)①可以很大程度上實現(xiàn)照明按需供應(yīng)，采用分布式控制器，實現(xiàn)對照明光源精確到盞的開關(guān)和亮度控制；②可以滿足使用者個性化控制的需求，人員可以通過智能手機等方式，隨時隨地按自身需求控制照明光源；③可以智能計算并推薦應(yīng)設(shè)置的控制值，并可以適當智能執(zhí)行控制，避免用戶盲目設(shè)置和忘記關(guān)閉帶來的電能浪費；④將考慮光導(dǎo)照明系統(tǒng)中存在的不滿足人員舒適和健康的問題設(shè)計相應(yīng)的智能控制；⑤會逐漸發(fā)展為擁有系統(tǒng)智慧的智慧照明系統(tǒng)，能根據(jù)實際情況自行決策得出綠色節(jié)能角度可行的、滿足人員舒適和健康需求的、能使人的主觀意愿認同的照明控制策略。

4 結(jié)束語

綜合近幾年的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的智能照明控制系統(tǒng)正在朝著智能化、人性化的方向發(fā)展，具備以下幾大特點：①現(xiàn)場控制器使用智能控制器，多選用Arduino、樹莓派等成本較低的單片機、微型電腦；②將自然光與室內(nèi)電光源結(jié)合使用，提高自然光的利用率，減少自然光充沛時不必要的電光源能耗；③人們對照明控制的需求更加精細化，智能照明控制系統(tǒng)更加重視人的各種需求和使用習慣、人體舒適度和健康水平。

未來的智能照明系統(tǒng)會在逐漸走向“智慧”的同時，為人們提供安全可靠、綠色節(jié)能、舒適健康的建筑照明環(huán)境。