基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明電氣控制系統(tǒng)研究

惲亞剛

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院江陰辦學(xué)點(diǎn)，江蘇 無錫 214433)

0 引言

現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，除了工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以外，還在建筑照明方面有著比較突出的成就。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備一定的可靠性、便捷性，為智能照明電氣控制系統(tǒng)的建設(shè)提供了便捷的條件，讓照明電氣控制系統(tǒng)不再通過單一設(shè)置來實(shí)現(xiàn)控制，可以基于全方位不同軟件的交互控制融合來實(shí)現(xiàn)控制，從而更加靈活地對(duì)照明效果加以智能化控制，極大程度上滿足人們對(duì)智能照明的需求。

1 智能照明電氣控制系統(tǒng)

照明電氣控制在智能領(lǐng)域是為人們的生產(chǎn)和生活提供便捷的服務(wù)。傳統(tǒng)照明電氣控制主要是通過開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路控制，其屬于一種強(qiáng)電的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體使用場(chǎng)景中的回路數(shù)目、負(fù)載功率、類型，不能控制光照的強(qiáng)度，如：對(duì)于白熾燈而言，主要是通過變阻器等調(diào)壓設(shè)備對(duì)燈具的明暗進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)操作需要人工完成，自動(dòng)化水平比較低，逐漸不能滿足人們對(duì)照明的需求[1]。當(dāng)前單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)逐漸在調(diào)光領(lǐng)域得到普及，該技術(shù)能夠較好地控制燈光的亮度，并在很大程度上提高調(diào)光效率。

傳統(tǒng)照明電氣控制主要是為了滿足人們對(duì)光照強(qiáng)度的需求，多以開關(guān)控制為主，利用開關(guān)來對(duì)燈具的開閉進(jìn)行控制，這一控制方式的操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，互換性好，其照明控制方式單一，強(qiáng)電控制容易引發(fā)安全隱患，特別是在大范圍使用狀況下時(shí)，布線較為復(fù)雜，各組控制開關(guān)均要配備一條專門的線路，且需要人工控制，不能有效管理大量的照明電氣設(shè)備，極易由于人為操作不當(dāng)而造成電能浪費(fèi)[2]。智能照明電氣控制系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相融合的產(chǎn)物，具有十分豐富和不斷擴(kuò)展的功能，主要包括：(1)可手動(dòng)或是自動(dòng)控制，也可實(shí)現(xiàn)多路控制；(2)具有調(diào)光模塊，能夠獲得不同的燈光效果；(3)可利用網(wǎng)絡(luò)或是電腦來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化管理；(4)多使用弱電驅(qū)動(dòng)燈具，無安全隱患；(5)具有較高的節(jié)能燈具光能轉(zhuǎn)化率。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成和基本功能設(shè)計(jì)

智能照明電氣控制系統(tǒng)，主要采用的是物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)，即感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用層。其中感知層涉及兩個(gè)方面數(shù)據(jù)的采集工作，一方面是對(duì)照面設(shè)備所處環(huán)境的光強(qiáng)、溫度是否有物體靠近等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；另一方面是測(cè)定人體的一些基本參數(shù)，由于受到技術(shù)方面的限制，當(dāng)前只能夠檢測(cè)人體的心率。數(shù)據(jù)傳輸層作為照明電氣控制系統(tǒng)的傳輸部分，需結(jié)合具體的使用需求來選擇合適的通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用層則是圍繞燈具的控制開展，通過一定的方式將各個(gè)傳感器設(shè)備、控制單元和主控器進(jìn)行相連接，從而實(shí)現(xiàn)不同單元之間的控制、通信，系統(tǒng)還能夠擴(kuò)展到外部網(wǎng)絡(luò)，把人體生理參數(shù)、照明設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、各種環(huán)境參數(shù)等上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以便用戶通過智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明電氣控制系統(tǒng)的功能主要包括：(1)照明功能。所有照明系統(tǒng)都必須具備良好的照明功能，這樣才能夠運(yùn)用到生產(chǎn)生活中，不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)照度有著不同的要求，所以照明系統(tǒng)需要處于不斷變化的過程，能夠?qū)φ斩冗M(jìn)行實(shí)時(shí)有效的調(diào)節(jié)，從而更好地滿足用戶對(duì)照明的需求；(2)節(jié)能功能。面對(duì)能源日益緊缺的社會(huì)現(xiàn)狀，智能照明電氣控制系統(tǒng)通過應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)措施，較好的解決傳統(tǒng)照明電氣控制中存在的電能浪費(fèi)問題；(3)生理情緒調(diào)節(jié)功能。從色彩心理學(xué)來看，人的生理情緒與生存環(huán)境的顏色存在聯(lián)系，所以通過利用無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)來對(duì)燈光的顏色進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理情緒的調(diào)節(jié)[4]；(4)照明環(huán)境氛圍的設(shè)定和控制。不同環(huán)境下用戶對(duì)燈光的顏色和亮度有著不同的需求，而智能照明電氣控制系統(tǒng)就能夠滿足用戶的個(gè)性化需求。

2.2 燈光控制器的設(shè)計(jì)

在日常使用過程中，照明電氣控制系統(tǒng)時(shí)常會(huì)遇到以下問題：因?yàn)槭韬鐾涥P(guān)閉照明設(shè)備而導(dǎo)致電能浪費(fèi)；燈光顏色單一，不能對(duì)使用環(huán)境加以有效的調(diào)節(jié)與烘托等。針對(duì)這些問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明電氣控制系統(tǒng)可以利用燈光控制器來加以有效解決，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具開閉的自動(dòng)化、智能化控制，避免了電能的浪費(fèi)；結(jié)合使用環(huán)境的光強(qiáng)來合理調(diào)節(jié)照明燈具的光強(qiáng)，符合在不同使用環(huán)境光照強(qiáng)度下用戶對(duì)光強(qiáng)的需求；對(duì)于建筑室內(nèi)照明而言，可結(jié)合室內(nèi)的溫度與人體的心理來對(duì)燈光的顏色加以調(diào)節(jié)，從而提高用戶居住的舒適度。

2.3 無線通信方式的選擇

在構(gòu)建智能照明電氣控制系統(tǒng)時(shí)，需要結(jié)合具體的使用需求來選擇合適的通訊方式。以下主要對(duì)現(xiàn)有的幾種無線通信方式進(jìn)行分析。

2.3.1 藍(lán)牙技術(shù)

該技術(shù)能夠讓設(shè)備和設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)短距離的無線傳輸，有效融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，讓移動(dòng)終端和固定設(shè)備可以在沒有電纜、電線作為連接中介的情況下，進(jìn)行較短距離的通信和控制。早期的藍(lán)牙傳輸頻段為2.4 GHZ ISM，其通信距離非常端，但不能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取ｋS著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前最新的藍(lán)牙技術(shù)在傳輸速度、傳輸距離上均有了比較大的進(jìn)步，且在能耗上也得到了很大程度的優(yōu)化。具體應(yīng)用到智能照明電氣控制中，該技術(shù)存在抗干擾能力不足、網(wǎng)絡(luò)容量小、傳輸距離比較短等問題，所以對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景存在一定的限制[5]。

2.3.2 無線組網(wǎng)通信技術(shù)

該技術(shù)主要應(yīng)用目標(biāo)是智能建筑領(lǐng)域，具備較強(qiáng)的針對(duì)性，雖然傳輸速率不高，但能夠滿足智能建筑的需求，應(yīng)用成本也比較低。無線組網(wǎng)通信的傳輸速率的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目是232個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳輸速率是10 Kbps，符合智能照明電氣控制中節(jié)點(diǎn)數(shù)目多的要求。

2.3.3 ZigBee

該技術(shù)通常適用于較短的范圍內(nèi)，其通信速率最大為250 Kbps，在協(xié)議中，每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)都可以很好的管控250多個(gè)設(shè)備終端子節(jié)點(diǎn)，還能夠通過其上級(jí)節(jié)點(diǎn)來對(duì)Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管控，從而構(gòu)建起包含上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這就滿足了智能照明電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求。同時(shí)，ZigBee組網(wǎng)具有非常大的網(wǎng)絡(luò)容量，能夠形成比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而滿足不同場(chǎng)景的使用需求。結(jié)合不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將ZigBee組網(wǎng)分為3種結(jié)構(gòu)，其中星形網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，可以完成網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與構(gòu)建；樹形網(wǎng)絡(luò)看似樹枝的形狀，通常將網(wǎng)絡(luò)中最末端的設(shè)備稱作葉節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)和路由器連接在一起，就形成一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中能夠看到多個(gè)全功能設(shè)備；網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器，任何一個(gè)全功能設(shè)備均能夠與這一網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信，有效增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3.4 WiFi

這是人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最為頻繁的通信技術(shù)，用戶可利用路由器構(gòu)建的WiFi網(wǎng)絡(luò)來獲取信息，相較于其他通信手段，WiFi的信號(hào)覆蓋面積更大，即使是在有墻壁阻隔的室內(nèi)，也能夠?qū)崿F(xiàn)10～20 m的數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)，WiFi的傳輸速度很快，現(xiàn)有的智能移動(dòng)設(shè)備都帶有WiFi模塊，具有良好的通用性。

2.4 傳感器的應(yīng)用

智能照明電氣控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)主照明燈具、背景燈具的管控，這一功能的實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)來自感知層的傳感器模塊對(duì)燈具使用環(huán)境與人體生理信息的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。基于此，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，需要合理選擇傳感器，當(dāng)前市場(chǎng)上常用的傳感器包括：(1)人體紅外傳感器。用于檢測(cè)是否有人進(jìn)入監(jiān)控范圍，能夠向主控器傳遞開關(guān)量，從而對(duì)燈具的開閉進(jìn)行自動(dòng)化控制；(2)光敏傳感器。用于對(duì)環(huán)境的光照強(qiáng)度加以自動(dòng)化監(jiān)控，主控器可以結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來對(duì)燈具的光照強(qiáng)度加以合理調(diào)節(jié)[6]；(3)溫度傳感器。通過熱敏電阻來對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后由主控器結(jié)合環(huán)境的具體溫度來對(duì)燈具的顏色進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高環(huán)境的舒適度。

3 智能照明電氣控制系統(tǒng)的類型與特點(diǎn)

3.1 智能照明電氣控制系統(tǒng)類型

3.1.1 總遙控智能照明電氣控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)包含了若干個(gè)智能控制模塊，可結(jié)合具體的照明需求來加以排列組合，并利用小型處理器來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)主控器發(fā)生運(yùn)行問題，其他控制器依然處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)完全癱瘓。該系統(tǒng)具備很強(qiáng)的自控性與穩(wěn)定性、良好的容納性，在具體運(yùn)行過程中，可以與其他終端控制器實(shí)現(xiàn)迅速的互聯(lián)互通，從而顯著提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)前，這一智能照明電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)在智能家居、基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)等領(lǐng)域得到普及，且獲得了良好的成效。

3.1.2 LED智能照明電氣控制系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)中所用燈具的外觀樣式多種多樣，且具有高品質(zhì)、長(zhǎng)期可靠、低碳環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。在新時(shí)代背景下，LED智能照明在照明領(lǐng)域中占據(jù)主流地位，該系統(tǒng)憑借完善的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)建了總體照明控制體系，能夠?qū)Χ鄠€(gè)燈具進(jìn)行同時(shí)控制，且控制范圍更大。另外，該控制系統(tǒng)的制作成本比較低，主要適用于公園景觀照明、道路建設(shè)照明燈領(lǐng)域。

3.1.3 一體化智能照明電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是通過對(duì)LED智能照明技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新而研發(fā)出的新型燈具控制系統(tǒng)。一體化智能燈具可以與電路集成設(shè)備和傳感器相融合、相感應(yīng)，還能夠與外部環(huán)境情況互相影響。在實(shí)際應(yīng)用過程中，若外部環(huán)境的顏色、光線及聲音發(fā)生改變，智能燈具會(huì)結(jié)合提前設(shè)定的運(yùn)行程序而及時(shí)做出相應(yīng)的改變，對(duì)燈光的照度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，從而滿足使用需求[7]。

3.2 智能照明電氣控制系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 成本低廉，應(yīng)用范圍廣

初期的智能照明電氣控制系統(tǒng)的建設(shè)成本較高，所以應(yīng)用范圍比較窄。但在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，高新技術(shù)得到全面優(yōu)化升級(jí)，這就大大降低了智能照明電氣控制系統(tǒng)的建設(shè)成本，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的安裝與操作步驟，同時(shí)當(dāng)前智能照明電氣控制系統(tǒng)在安裝時(shí)更加重視產(chǎn)品的高品質(zhì)和規(guī)范性，從而在很大程度上擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3.2.2 光照環(huán)境適宜，提高了運(yùn)行效率

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明電氣控制系統(tǒng)，能夠通過智能識(shí)別技術(shù)來為用戶提供更加適宜的光照環(huán)境，從而讓用戶具備良好的心態(tài)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備能夠?qū)φ彰麟姎庀到y(tǒng)進(jìn)行及時(shí)的識(shí)別與感知，以便隨時(shí)隨地結(jié)合外部環(huán)境來對(duì)燈具的照度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使之符合當(dāng)下使用場(chǎng)景對(duì)燈光明暗度的需求。

3.2.3 低碳環(huán)保，節(jié)約能源

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，智能照明電氣控制系統(tǒng)具有更優(yōu)的人體感應(yīng)功能與環(huán)境感應(yīng)功能，特別是該系統(tǒng)具有自動(dòng)節(jié)能環(huán)保調(diào)節(jié)功能，能夠讓用戶在光照感應(yīng)下獲得良好的體驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制環(huán)節(jié)更加科學(xué)、穩(wěn)定。同時(shí)，該系統(tǒng)利用專業(yè)控制軟件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)管理，可對(duì)系統(tǒng)的能源消耗情況、故障風(fēng)險(xiǎn)、電路損耗等問題加以全過程監(jiān)控，持續(xù)優(yōu)化自我調(diào)節(jié)功能，從而有效節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保。

4 智能照明電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景

當(dāng)前，我國(guó)大力建設(shè)低碳社會(huì)，并提出了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。基于此，未來的智能照明電氣控制系統(tǒng)需要向著綠色照明的方向發(fā)展，加大對(duì)節(jié)能減耗機(jī)制的創(chuàng)新研究，從而更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。(1)半導(dǎo)體照明。相較于其他照明技術(shù)，半導(dǎo)體照明技術(shù)具有更優(yōu)的節(jié)能效果，所以在未來智能照明電氣控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。近年來我國(guó)在半導(dǎo)體照明創(chuàng)新發(fā)展中取得了一定的成效，如：掌握LED燈的封裝技術(shù)，在很大程度上提高了燈具的發(fā)光效率，能夠減少電能的消耗，延長(zhǎng)燈具的使用年限[8]；(2)綠色環(huán)保照明。在我國(guó)大力提倡節(jié)能減排的背景下，照明領(lǐng)域需要加強(qiáng)對(duì)綠色環(huán)保照明技術(shù)的研究力度，積極打造綠色環(huán)保照明工程，開發(fā)更加高效高質(zhì)的照明產(chǎn)品，持續(xù)提高照明節(jié)能效率，從而有效推動(dòng)智能照明電氣控制系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)、高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)語

綜上所述，智能照明電氣控制系統(tǒng)在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用，是一項(xiàng)惠及民生的重大功能。在新時(shí)代背景下，傳統(tǒng)照明電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足用戶對(duì)照明的需求，為能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代照明需求，需要以物聯(lián)網(wǎng)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等高新技術(shù)，對(duì)智能照明電氣系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，制作出更加高效、高品質(zhì)、低碳環(huán)保的智能照明電氣系統(tǒng)，從而為用戶提供更加舒適的照明環(huán)境。當(dāng)前我國(guó)智能照明電氣控制系統(tǒng)依然有很大的進(jìn)步空間，很多設(shè)想理念有待不斷驗(yàn)證，需不斷提高智能照明電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)品的質(zhì)量。