綠色建筑智能照明控制系統研究綜述＊

孫啟凱，汪明，張寶瑞，謝浩田

(山東省智能建筑技術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，電光源照亮了無數個需要光亮的空間。1959年，鹵素燈的發明解決了白熾燈燈泡發黑的問題，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的白熾燈。隨著綠色建筑逐漸進入人們的視野，節能高效的LED 照明產品得到普遍推廣，打破常規電照明觀念的光導照明系統也開始得到初步應用，照明光源的質量和效率得到進一步提升。

照明光源發展進步的同時，照明控制系統也在升級更新。傳統照明系統缺乏對服務環境的全面感知，難以很好地滿足綠色建筑對照明系統燈光分區控制、智能照明控制的節能環保要求，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境參數、利用各種數字通信方式組網通訊、采用設計有智能算法的先進控制器的智能照明控制系統在綠色建筑中逐漸展現傳統照明控制系統無法比擬的優勢。

1 智能照明控制系統概述

智能照明系統在傳統照明系統的基礎上，結合計算機技術、物聯網技術和智能控制等先進技術進行改造升級，使得照明系統的控制和管理更加便捷，可以創造滿足人的個性需求或使人眼的光感覺處于舒適區間的光環境，有效減少需求外的電能消耗，提高照明系統運行效率，滿足節約環保的要求。

智能照明系統之所以智能，主要在于其控制系統，合適的控制系統使得建筑照明系統能夠按需工作，智能人性化且節能。除了選用高效光源外，智能照明系統主要從控制系統改進方向出發進行設計，其改進重點體現在：設計使用智能控制器、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的控制系統改進，按圖1所示的結構展開綜述。

圖1 控制系統改進展開圖

2 智能照明控制關鍵技術

2.1 設計使用智能控制器

僅依靠簡單開關或固定的時間表等去實現照明系統的開關控制已經遠遠不能滿足人們對照明系統的智能和節能的需求，許多科研人員開始設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，已應用于照明系統的控制。Arduino就是一種常用的微控制器，因其具有簡便的編程環境IDE 和豐富的I/O 接口且價格低廉，深受開發者的歡迎，在智能照明系統設計中有著廣泛的應用。

Li等采用Arduino 作為主控制器，結合紅外電感式傳感器和光傳感器，以WiFi 網絡為通訊方式，實現辦公照明自動延時關閉控制和調光功能。Akinwole等設計了基于Arduino 微控制器的自動照明控制系統，使用LDR 光敏電阻傳感器來感知照明水平，采用閉環控制系統自動操作照明系統。Mariappan 等提出一種基于Arduino 的照明互聯網（IoL）網關，使照明系統可以連接到網絡，并且可以從集中式系統或云端進行監控和控制。

這些智能照明系統所用的微控制器的優缺點對比如表1所示。

表1 微控制器優缺點對比

2.2 傳感器實現智能感知

自然光是免費的優質光源，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，人在自然光環境下更不易產生疲勞感。因此，無論是在設計智能照明控制系統時，還是在建筑設計初期，都應該考慮充分利用自然光照明。有關這方面的研究都會涉及檢測外界光環境，控制上主要從兩個大方向出發，一是通過控制系統調節室內人工光源，二是將照明系統與遮陽系統中的遮陽棚、窗簾、百葉窗等聯動。

Seyedolhosseini 等將日光照度用作神經網絡的偏置值，使用神經網絡來分析確定每個燈具的輸出通量以進行區域照明控制。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計了結合遮陽系統控制自然和人造光的平衡的一套智能照明控制系統。Sun 和Yu提出了一種基于分布式多智能體框架的室內智能照明控制方法，根據占用情況和室內外光環境對燈具和百葉窗進行控制。

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

在檢測人的動作方面，Feng 等設計的智能照明控制系統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 等以設計和實現一個能夠感知人體存在的智能照明系統為目標，開發了基于物聯網的實時監測智能照明系統。Hajjaj等設計通過使用傳感設備檢測辦公桌的占用情況，尋找智能照明系統的最佳模型以節省能源。

在檢測人數方面，查成源等采用漫反射光電傳感器實現對室內人數的測量，并根據光敏傳感器獲取的室內光照強度進行智能照明控制，不僅可以實現人來自動開燈、人走自動關燈的控制，而且可以根據室內人數自動開啟對應數量的燈光。

檢測人員位置方面，Luo 等通過優化的復雜環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，以自動開啟或關閉相應的燈光，其系統錯誤率低于2%，且能夠將室內照明的能效提高至少15%。陳寒梅等基于光纖傳感網絡結合封閉體人員定位算法獲取室內人員實時定位，通過對照明需求區域的局部照明調節，既保證照明質量又節約用電。

本文所綜述到的智能照明系統應用的傳感方式如表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

控制系統的改進應該將使用者的行為習慣考慮在內，Kiran 等對家庭照明的研究表明，居民家中看似浪費的照明，可能發揮著除照明外的特殊作用，比如避免視覺或審美上的不適、讓家更有吸引力、讓外面的人受益、增加安全感等。因此，如果我們僅僅從節能角度出發而選擇關掉這些照明，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的節能范圍可達到43%-71%。Gilani等對私人辦公室照明能耗的研究表明，手動控制系統的照明用電量較占用開啟-空閑關閉的自動控制減少了七成，他們認為監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節能提供一條新思路。

人員如果長時間處在不符合人眼舒適特性的光環境下會產生視覺疲勞，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智能化設計時，以往的很多研究都存在偏重于節能而忽略照明系統的服務對象——“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計。

以人為本的照明（HCL）是智能照明系統設計的一個主要焦點，旨在為智能建筑提供節能和令人產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進行照明控制，對家庭照明進行強度、色彩的多種搭配設置，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能照明控制系統，該系統結合空間特點和住戶行為模式，通過控制照明控制參數，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，也有人關注如何減少照明系統的電磁輻射帶來的問題。Briushinin 等設計的智能照明系統通過對房間不同區域照度值數據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境，而且可至少節約15%的電能。

3 智能照明控制系統展望

在未來，智能照明控制系統①可以很大程度上實現照明按需供應，采用分布式控制器，實現對照明光源精確到盞的開關和亮度控制；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設置的控制值，并可以適當智能執行控制，避免用戶盲目設置和忘記關閉帶來的電能浪費；④將考慮光導照明系統中存在的不滿足人員舒適和健康的問題設計相應的智能控制；⑤會逐漸發展為擁有系統智慧的智慧照明系統，能根據實際情況自行決策得出綠色節能角度可行的、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 結束語

綜合近幾年的研究成果，不難發現，現在的智能照明控制系統正在朝著智能化、人性化的方向發展，具備以下幾大特點：①現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將自然光與室內電光源結合使用，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會在逐漸走向“智慧”的同時，為人們提供安全可靠、綠色節能、舒適健康的建筑照明環境。