基于物聯網的智能照明電氣控制系統研究

惲亞剛

(江蘇聯合職業技術學院江陰辦學點，江蘇 無錫 214433)

0 引言

現如今，物聯網技術在各個領域得到廣泛應用，除了工業和農業領域以外，還在建筑照明方面有著比較突出的成就。物聯網技術具備一定的可靠性、便捷性，為智能照明電氣控制系統的建設提供了便捷的條件，讓照明電氣控制系統不再通過單一設置來實現控制，可以基于全方位不同軟件的交互控制融合來實現控制，從而更加靈活地對照明效果加以智能化控制，極大程度上滿足人們對智能照明的需求。

1 智能照明電氣控制系統

照明電氣控制在智能領域是為人們的生產和生活提供便捷的服務。傳統照明電氣控制主要是通過開關來實現對電路控制，其屬于一種強電的控制系統，該系統的設計需要結合具體使用場景中的回路數目、負載功率、類型，不能控制光照的強度，如：對于白熾燈而言，主要是通過變阻器等調壓設備對燈具的明暗進行調節，整個操作需要人工完成，自動化水平比較低，逐漸不能滿足人們對照明的需求[1]。當前單片機技術的進一步發展，脈寬調制技術逐漸在調光領域得到普及，該技術能夠較好地控制燈光的亮度，并在很大程度上提高調光效率。

傳統照明電氣控制主要是為了滿足人們對光照強度的需求，多以開關控制為主，利用開關來對燈具的開閉進行控制，這一控制方式的操作簡單，價格低廉，互換性好，其照明控制方式單一，強電控制容易引發安全隱患，特別是在大范圍使用狀況下時，布線較為復雜，各組控制開關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備，極易由于人為操作不當而造成電能浪費[2]。智能照明電氣控制系統是將計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術等先進技術相融合的產物，具有十分豐富和不斷擴展的功能，主要包括：(1)可手動或是自動控制，也可實現多路控制；(2)具有調光模塊，能夠獲得不同的燈光效果；(3)可利用網絡或是電腦來實現自動化、智能化管理；(4)多使用弱電驅動燈具，無安全隱患；(5)具有較高的節能燈具光能轉化率。

2 基于物聯網的智能照明電氣控制系統總體設計

2.1 系統構成和基本功能設計

智能照明電氣控制系統，主要采用的是物聯網的基本架構，即感知層、數據傳輸層、數據處理的應用層。其中感知層涉及兩個方面數據的采集工作，一方面是對照面設備所處環境的光強、溫度是否有物體靠近等環境數據進行采集；另一方面是測定人體的一些基本參數，由于受到技術方面的限制，當前只能夠檢測人體的心率。數據傳輸層作為照明電氣控制系統的傳輸部分，需結合具體的使用需求來選擇合適的通信技術，從而實現數據傳輸。數據處理的應用層則是圍繞燈具的控制開展，通過一定的方式將各個傳感器設備、控制單元和主控器進行相連接，從而實現不同單元之間的控制、通信，系統還能夠擴展到外部網絡，把人體生理參數、照明設備的狀態參數、各種環境參數等上傳到網絡平臺，以便用戶通過智能設備進行遠程控制[3]。

基于物聯網的智能照明電氣控制系統的功能主要包括：(1)照明功能。所有照明系統都必須具備良好的照明功能，這樣才能夠運用到生產生活中，不同的應用環境對照度有著不同的要求，所以照明系統需要處于不斷變化的過程，能夠對照度進行實時有效的調節，從而更好地滿足用戶對照明的需求；(2)節能功能。面對能源日益緊缺的社會現狀，智能照明電氣控制系統通過應用先進的技術措施，較好的解決傳統照明電氣控制中存在的電能浪費問題；(3)生理情緒調節功能。從色彩心理學來看，人的生理情緒與生存環境的顏色存在聯系，所以通過利用無線通信技術、傳感器技術來對燈光的顏色進行控制，從而實現對人體生理情緒的調節[4]；(4)照明環境氛圍的設定和控制。不同環境下用戶對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就能夠滿足用戶的個性化需求。

2.2 燈光控制器的設計

在日常使用過程中，照明電氣控制系統時常會遇到以下問題：因為疏忽忘記關閉照明設備而導致電能浪費；燈光顏色單一，不能對使用環境加以有效的調節與烘托等。針對這些問題，基于物聯網的智能照明電氣控制系統可以利用燈光控制器來加以有效解決，實現對燈具開閉的自動化、智能化控制，避免了電能的浪費；結合使用環境的光強來合理調節照明燈具的光強，符合在不同使用環境光照強度下用戶對光強的需求；對于建筑室內照明而言，可結合室內的溫度與人體的心理來對燈光的顏色加以調節，從而提高用戶居住的舒適度。

2.3 無線通信方式的選擇

在構建智能照明電氣控制系統時，需要結合具體的使用需求來選擇合適的通訊方式。以下主要對現有的幾種無線通信方式進行分析。

2.3.1 藍牙技術

該技術能夠讓設備和設備之間實現短距離的無線傳輸，有效融合了計算機技術和通信技術，讓移動終端和固定設備可以在沒有電纜、電線作為連接中介的情況下，進行較短距離的通信和控制。早期的藍牙傳輸頻段為2.4 GHZ ISM，其通信距離非常端，但不能保障數據傳輸的速度。隨著科學技術的不斷發展，當前最新的藍牙技術在傳輸速度、傳輸距離上均有了比較大的進步，且在能耗上也得到了很大程度的優化。具體應用到智能照明電氣控制中，該技術存在抗干擾能力不足、網絡容量小、傳輸距離比較短等問題，所以對應用場景存在一定的限制[5]。

2.3.2 無線組網通信技術

該技術主要應用目標是智能建筑領域，具備較強的針對性，雖然傳輸速率不高，但能夠滿足智能建筑的需求，應用成本也比較低。無線組網通信的傳輸速率的最大節點數目是232個節點，傳輸速率是10 Kbps，符合智能照明電氣控制中節點數目多的要求。

2.3.3 ZigBee

該技術通常適用于較短的范圍內，其通信速率最大為250 Kbps，在協議中，每個Sink節點都可以很好的管控250多個設備終端子節點，還能夠通過其上級節點來對Sink節點進行管控，從而構建起包含上萬個節點的網絡，這就滿足了智能照明電氣控制系統的應用需求。同時，ZigBee組網具有非常大的網絡容量，能夠形成比較復雜的網絡結構，從而滿足不同場景的使用需求。結合不同的網絡結構，可將ZigBee組網分為3種結構，其中星形網絡具有一個協調器節點與多個終端設備節點，可以完成網絡的監控與構建；樹形網絡看似樹枝的形狀，通常將網絡中最末端的設備稱作葉節點，將這些節點和路由器連接在一起，就形成一個樹形結構，該結構中能夠看到多個全功能設備；網形網絡作為系統中的協調器，任何一個全功能設備均能夠與這一網絡中的其他設備進行通信，有效增強數據傳輸的可靠性。

2.3.4 WiFi

這是人們日常生活中應用最為頻繁的通信技術，用戶可利用路由器構建的WiFi網絡來獲取信息，相較于其他通信手段，WiFi的信號覆蓋面積更大，即使是在有墻壁阻隔的室內，也能夠實現10～20 m的數據傳輸；同時，WiFi的傳輸速度很快，現有的智能移動設備都帶有WiFi模塊，具有良好的通用性。

2.4 傳感器的應用

智能照明電氣控制系統需要實現對主照明燈具、背景燈具的管控，這一功能的實現需要根據來自感知層的傳感器模塊對燈具使用環境與人體生理信息的監控數據。基于此，在設計該系統時，需要合理選擇傳感器，當前市場上常用的傳感器包括：(1)人體紅外傳感器。用于檢測是否有人進入監控范圍，能夠向主控器傳遞開關量，從而對燈具的開閉進行自動化控制；(2)光敏傳感器。用于對環境的光照強度加以自動化監控，主控器可以結合監控數據來對燈具的光照強度加以合理調節[6]；(3)溫度傳感器。通過熱敏電阻來對環境的溫度進行檢測，然后由主控器結合環境的具體溫度來對燈具的顏色進行調節，從而提高環境的舒適度。

3 智能照明電氣控制系統的類型與特點

3.1 智能照明電氣控制系統類型

3.1.1 總遙控智能照明電氣控制系統

該控制系統包含了若干個智能控制模塊，可結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現單獨運行。當主控器發生運行問題，其他控制器依然處于正常運行狀態，并不會導致整個控制系統完全癱瘓。該系統具備很強的自控性與穩定性、良好的容納性，在具體運行過程中，可以與其他終端控制器實現迅速的互聯互通，從而顯著提高了系統的運行效率。當前，這一智能照明電氣控制系統已經在智能家居、基礎設備建設等領域得到普及，且獲得了良好的成效。

3.1.2 LED智能照明電氣控制系統

相較于傳統照明系統，該系統中所用燈具的外觀樣式多種多樣，且具有高品質、長期可靠、低碳環保的優勢。在新時代背景下，LED智能照明在照明領域中占據主流地位，該系統憑借完善的計算機控制技術構建了總體照明控制體系，能夠對多個燈具進行同時控制，且控制范圍更大。另外，該控制系統的制作成本比較低，主要適用于公園景觀照明、道路建設照明燈領域。

3.1.3 一體化智能照明電氣控制系統

該系統是通過對LED智能照明技術進行創新而研發出的新型燈具控制系統。一體化智能燈具可以與電路集成設備和傳感器相融合、相感應，還能夠與外部環境情況互相影響。在實際應用過程中，若外部環境的顏色、光線及聲音發生改變，智能燈具會結合提前設定的運行程序而及時做出相應的改變，對燈光的照度進行合理調節，從而滿足使用需求[7]。

3.2 智能照明電氣控制系統特點

3.2.1 成本低廉，應用范圍廣

初期的智能照明電氣控制系統的建設成本較高，所以應用范圍比較窄。但在物聯網時代背景下，高新技術得到全面優化升級，這就大大降低了智能照明電氣控制系統的建設成本，進一步簡化了系統的安裝與操作步驟，同時當前智能照明電氣控制系統在安裝時更加重視產品的高品質和規范性，從而在很大程度上擴大了系統的應用范圍。

3.2.2 光照環境適宜，提高了運行效率

基于物聯網的智能照明電氣控制系統，能夠通過智能識別技術來為用戶提供更加適宜的光照環境，從而讓用戶具備良好的心態。同時，利用計算機等智能設備能夠對照明電氣系統進行及時的識別與感知，以便隨時隨地結合外部環境來對燈具的照度進行合理調節，使之符合當下使用場景對燈光明暗度的需求。

3.2.3 低碳環保，節約能源

在物聯網時代背景下，智能照明電氣控制系統具有更優的人體感應功能與環境感應功能，特別是該系統具有自動節能環保調節功能，能夠讓用戶在光照感應下獲得良好的體驗，系統設計與控制環節更加科學、穩定。同時，該系統利用專業控制軟件實現了系統管理，可對系統的能源消耗情況、故障風險、電路損耗等問題加以全過程監控，持續優化自我調節功能，從而有效節約能源，實現低碳環保。

4 智能照明電氣控制系統的應用前景

當前，我國大力建設低碳社會，并提出了可持續發展戰略目標。基于此，未來的智能照明電氣控制系統需要向著綠色照明的方向發展，加大對節能減耗機制的創新研究，從而更好地適應時代發展的趨勢。(1)半導體照明。相較于其他照明技術，半導體照明技術具有更優的節能效果，所以在未來智能照明電氣控制系統中起著關鍵作用。近年來我國在半導體照明創新發展中取得了一定的成效，如：掌握LED燈的封裝技術，在很大程度上提高了燈具的發光效率，能夠減少電能的消耗，延長燈具的使用年限[8]；(2)綠色環保照明。在我國大力提倡節能減排的背景下，照明領域需要加強對綠色環保照明技術的研究力度，積極打造綠色環保照明工程，開發更加高效高質的照明產品，持續提高照明節能效率，從而有效推動智能照明電氣控制系統的長遠、高質量發展。

5 結語

綜上所述，智能照明電氣控制系統在人們生產生活中發揮著重要作用，是一項惠及民生的重大功能。在新時代背景下，傳統照明電氣控制系統已經無法滿足用戶對照明的需求，為能夠更好地適應現代照明需求，需要以物聯網為核心，充分利用計算機技術、互聯網技術、移動通信技術等高新技術，對智能照明電氣系統進行科學設計，制作出更加高效、高品質、低碳環保的智能照明電氣系統，從而為用戶提供更加舒適的照明環境。當前我國智能照明電氣控制系統依然有很大的進步空間，很多設想理念有待不斷驗證，需不斷提高智能照明電氣控制系統產品的質量。