基于物聯網技術的智能照明控制系統設計與實現

沈 喆

（山西晉中理工學院，山西 晉中 030600）

智能照明控制系統廣泛應用于舞臺燈光、智能家居照明、工廠照明系統等場景中，是人工智能時代下的重要技術進步。當前使用的照明控制系統主要包括硬件控制與軟件控制[1]。硬件控制通過硬件設備連接形成信號通路，人工控制燈光變化；軟件控制則使用計算機軟件控制，但大多數軟件均需要操作設備與照明設備的硬件連接，由軟件控制硬件，實現控制照明的目標[2]。本研究提出基于物聯網技術的智能照明控制系統，使用移動端APP作為控制平臺，真正實現遠程控制照明系統的核心功能，能有效解決場地與設備限制，提升照明控制效果與效率[3]。

1 智能照明控制系統架構設計

基于物聯網技術的智能照明控制系統的主要功能包括遠程開關控制、遠程光線調節、能源消耗監控、故障預警與處理4個模塊。系統包括多個互聯的傳感器和執行器，將傳感器收集的信息匯總給中央處理單元，中央處理單元智能化處理后發送信號給執行器，實現智能照明控制。系統功能架構設計如圖1所示。

圖1 系統架構設計圖

系統允許用戶通過APP遠程控制照明設備的開關。當用戶發出指令時，命令借助互聯網傳輸至中央控制系統，遠程控制燈光開關[2]。此功能適用于所有系統內的照明設備，可打破距離的限制，實現遠程智能控制。遠程開關控制模塊包括用戶界面、命令傳輸和控制邏輯功能。遠程光線調節通過內置環境光傳感器實時監測室內外光線條件，將數據反饋至中央處理器。用戶可根據使用需求、使用APP調整光線強度。系統處理器接收到用戶設置的光線強度信號后，自動調整對應照明器具至指定亮度。該系統包括光線感應、光線中央處理、命令執行3個核心功能。能源消耗監控功能基于各照明點安裝的能耗監測傳感器，用傳感器收集燈具能源使用數據，將信息發送到中央控制系統。系統匯總分析信息數據，生成能源消耗簡報，幫助用戶監控能源使用情況。能源消耗監控模塊的主要功能包括能耗數據采集、云端數據同步處理、用戶交互反饋3項基本功能。實時監測照明設備性能數據能幫助系統預測設備故障、處理設備故障。系統可利用機器學習算法分析歷史運行數據、預測和識別潛在的設備故障風險。一旦系統檢測到設備異常或性能下降，立即向用戶發送警告信息，提供故障處理預案，如果用戶提前有相關設置，則會智能化調度維修與處理功能。故障預警與處理模塊包括故障檢測與預警、遠程故障診斷、智能化故障處理3個主要功能。

2 智能照明控制系統APP程序實現

2.1 移動端APP開發

本研究采用支持迭代開發和持續集成的敏捷開發模式，分析了功能需求和技術規格。UI組件設計遵循了Android和iOS平臺的設計指南，提升不同分辨率屏幕的適配性。前端技術主要使用React Native框架，系統定義了send Command To Light函數，將命令封裝為JSON消息并發布到MQTT主題上，根據燈具唯一標識符確保命令到設備的傳輸準確度[4]。移動端操作界面如圖2所示。

圖2 移動端APP界面圖

2.2 中央處理器功能實現

中央處理器的開發選擇ARM Cortex微控制器，該控制器具有較強的計算能力、內存資源和網絡接口，支持高并發的數據處理和設備控制任務。中央處理器固件使用C++語言編程，構建實時操作系統（RTOS）環境，提供任務調度、時間管理和中斷處理等功能。中央處理器上的主要控制邏輯是依靠Light Control Task無限循環函數，不斷檢查用戶命令和傳感器更新，利用RTOS的任務調度機制來實現多任務處理，以響應外部事件和內部狀態變化。Process Command函數負責解析和執行來自用戶的開關燈光和調節亮度等操作命令，執行后通過Update Cloud Status函數更新云端服務器上的狀態信息。Update Light Status函數負責根據傳感器收集的環境數據動態調整照明設備的狀態，根據環境亮度和運動檢測結果自動開關燈光。中央處理器處理功能的實現如圖3所示。

圖3 中央處理器處理功能

3 系統測試

3.1 數據采集與預處理

為測試系統性能，采集了不同使用環境下照明設備的5 012條數據樣本，處理前的原數據格式如表1所示。

表1 數據樣本格式

數據預處理同步了傳感器數據時間并進行了數據清洗，移除了明顯異常值，將燈具的開關狀態編碼為“開”為1、“關”為0，將燈具調光參數按照實際調光比例做歸一化處理。為確保所有數據均顯示了照明設備性能，篩出開關狀態編碼為0的數據，只用作遠程開關控制測試中的開燈測試，將剩余開燈數據用于其他測試。

3.2 測試結果

測試圍繞系統四大核心功能，即遠程開關控制、遠程光線調節、能源消耗監控、故障預警與處理設計功能，分別測試遠程控制響應時間、光線調節準確性、能源消耗優化率和故障預警準確率。結果如表2所示。

表2 測試結果表

由表2可知，系統核心功能基本實現，能夠有效執行遠程控制，具有較好的光線調節準確性和能源消耗監控能力。故障預警系統表現出較高準確率，系統可靠性較高，適用于智能家居及辦公環境。

4 結論

綜上所述，本系統的主要創新點是將系統控制功能由硬件控制轉變為由網絡遠程控制，技術人員只需要使用手機移動端APP便能宏觀控制整個照明系統，提升了系統操作與運維的便捷性。本研究設計了一套基于物聯網技術的智能照明控制系統，測試效果表明系統提升了用戶操作的便捷性，增強了后端處理的可擴展性。物聯網技術的應用讓本系統具備了設備能耗報告等大數據分析功能，幫助用戶管理設備能源消耗，擴展了系統功能。