建筑智能化照明遠程控制系統設計研究

王伶燕

浙江中筑啟創建筑設計有限公司 浙江 杭州 311113

智能化照明系統不僅可以提高照明系統性能，同時也有助于改善照明系統運營成本，實現科學化、規范化管理照明系統的目標。智能建筑中智能照明系統需要智能遠程控制的支持，進一步提高照明系統科技化水平，充分融合智能化建筑物體系與節能理念，優化設計照明控制系統，在達成節約電能的同時為我國的建筑行業可持續發展提供支持。

1 技術背景

作為科學技術結晶的建筑智能化，其是各種高新科技與建筑藝術的結合，充分利用各種信息化技術可以帶給建筑物使用者不一樣的感受。智能建筑以現代建筑為載體，依靠系統集成方式有機結合建筑藝術、通信技術與計算機技術，自動監控設備，優化組合建筑物與信息資源，可以為建筑物使用者提供相應的信息化服務，滿足社會需要。智能建筑具有靈活、便利、舒適、高效與安全的特征[1]。當前智能建筑所用照明系統大多只有熱感應、光控與聲控能力，不具備遠程人為控制功能，無法在建筑物使用者提前提供照明，不利于夜間人們出行與回到建筑物，故有必要設計照明遠程控制系統。

2 智能建筑物照明遠程控制系統的優勢

2.1 智能控制，提升管理

智能照明系統根據實際的照明需求，支持多種形式的控制方式。智能照明遠程系統具有延時控制、手動控制、遠程控制、場景控制、智能調光等功能。多樣化的功能可以使不同場景、不同時間、不同位置的照明系統控制得到滿足。

2.2 利于管理，降低成本

樓宇的建筑面積普遍比較大，普通照明需要人工進行開關，而智能照明控制系統可使傳統控制方式轉為智能化管理。管理者管理起來更加便利，可有效提高管理水平，同時也能夠將樓宇的運營和維護成本有所降低。

2.3 按需照明，降低能耗

智能照明系統可以根據不同日期和時間，按照各功能運行狀況提前設置光照度，由系統對開關進行自動控制。在此系統中，應用較少的能耗就可提供較為舒適的照明環境，對照明亮度進行自動調節，按照居住者的實際需要進行照明，可使樓宇的用電量大幅度降低。通過智能化管理方式，可以避免“長明燈”這種浪費情況，依據照明使用規則啟動未使用的照明場景，獲得理想照明效果，并可降低對電能的消耗。

2.4 保護燈具，延長使用

高電壓是燈具損壞的主要原因。智能照明系統具有軟啟動功能，可以使燈具因為電壓過高而損壞的情況得以避免。同時，燈具的使用壽命得以延長，會減少更換燈具的工作量，這也會在一定程度上使照明系統的運行成本降低。

3 智能建筑物照明遠程控制系統設計方式

3.1 結構設計

以智能化、現代化為特點的智能照明遠程控制系統組成十分復雜，包括控制中心、遠程通信網絡、遠程控制結構。系統基礎結構為照明遠程控制結構，是由智能傳感器、遠程控制器等設備組成的[2]。在設計系統的時候，使用性能出眾的控制芯片，如STC89C52單片機，用于保障中短距離的通信通暢性。為滿足遠距離設備管控，在設計系統結構的時候可以嵌入無線通信網絡，依靠nRF24101芯片，憑借該芯片編碼控制程序實現各種設備的管控，為照明系統的運行狀態提供監控技術支持。

在遠程控制系統中控制中心有著整體化管理能力，設備構成為語音播報設備、顯示屏與計算機。遠程通信網絡結構的設計中，需要將其同上位機連接到一起，工作人員可以通過顯示屏了解建筑物中所有區域狀況，并按照反饋得到的各區域照明情況發布照明系統管控命令，實現建筑物燈光的遠程控制，起到控制燈光、調節燈光目的。

遠程通信網絡可以用于電子信號遠程控制、照明設備管理。使用通信網絡技術手段完成建筑物各種照明設備的操控，用合理且科學的方式達到帶能節約目的保障照明系統管理能力。

3.2 軟件設計

（1）軟件設計原理

設計建筑物智能照明遠程控制系統的時候需要設計人員按照系統的運行原理，依靠現代技術手段提前將照明功能以及系統要求編寫為程序，并輸入到控制程序與芯片，使用計算機技術和程序操控系統達到照明系統操控目標。照明系統的控制利用光電感應、紅外線人體成像、智能檢測設備以及智能傳感器等技術可以實時掌握建筑物各區域照明狀況，對各種數據分析確認照明條件與需求，使用單片機控制整個系統下發命令后就能遠程控制燈具設備。

（2）軟件運行流程

遠程控制系統在運行的時候，建筑物中的照明燈具受到編程程序控制，遠程控制設備運作流程為：初始化芯片后獲得上位機發布的命令，系統按照上位機命令執行工作開始使用傳感器對周圍環境信息采集，根據需求打開、熄滅或是調節燈具亮度。初始化芯片以后可以隨時使用遠程終端登錄程序查看上位機的命令程序執行進度[3]。在上位機命令下達之后采集下位機的各種檢測設備與傳感器信息，各種數據信息通過電子信號的方式傳輸給上位機。使用傳感器對各種數據進行對比分析，完成系統數值的設定以后就可以掌握建筑物當前的環境情況。在完成信息資源的整合之后程序根據系統預設程序發出相應的控制命令，將智能建筑中的燈具打開并調節燈具的亮度，達到照明系統控制目的。

比如在程序操控燈具開燈之后，單片機同開燈燈具的電路連通，此時控制中心顯示屏就會完整的顯示開燈燈具線路以及程序執行進度，完整記錄燈具的啟動時間、亮燈時長，甚至是燈具的能耗、亮度信息。為保障數據的完整記錄，程序能夠按照照明遠程控制系統的需求進行控制信息的完整記錄[4]。

（3）調試軟件程序

設計完軟件之后可以使用系統操作屏進行軟件設置。系統操控屏共有三個按鍵，分別是熱釋電傳感器、光電傳感器與上位機信號。在單片機的電路連通之后，就能實時讀取芯片信息，并對燈具的操作命令進行解析。之后按照程序要求進行程序的整體化管理[5]。上位機下發燈具操控指令以后，信號立刻傳送到指定燈具并執行命令。使用系統操作屏可以隨時掌握燈具情況，如果下發命令程序無問題，表明軟件設計合理具有可操作的能力。在設備接收到上位機命令但卻沒有執行程序，表明程序編寫有問題需要重新調整，一直到遠程控制系統能夠執行上位機命令才可以停止程序更改。

3.3 硬件設計

（1）設計電路

在建筑智能化照明遠程控制系統中電路是非常重要的構成，包括遠程信息接收電路、顯示電路、單片機控制電路，不同電路功能不同。遠程信息接收電路功能集中于連接紅外傳感器、監控設備與檢測設備的遠程操控與監測。顯示電路功能非常多，包括計算機設備電路、語音播報設備、信號接收設備以及液晶顯示設備的電路連接。單片機控制電路被用于傳感器、照明控制設備的電路連接。

傳感器電路包括光敏傳感器電路與紅外傳感器電路兩種。①光敏傳感器電路是由智能傳感器、電信號轉換器、光敏元件組成的。在產生光照之后，光生載流子就能參與到導電過程，此時需要將電子與空穴分別移動到電源正負極，從而減少光敏電阻的阻值。使用梳狀結構電極能夠依靠提高面積的方式讓電路保持靈敏度。②由房間內燈具、半導體傳感器、STC89C52單片機芯片組成的紅外傳感器電路，充分利用人體紅外熱輻射原理，掌握建筑物各種信息判斷建筑物內的光照狀況。電路連通之后就可以實現照明設備參數與啟閉的控制，達成遠程照明系統的智能化控制目的。產生熱釋電效應之后，依靠環境溫差實現物體的探測，是照明系統遠程控制的必要性條件。設計電路的時候應用熱釋電效應，在鈦酸鋇晶體表面布設上下電極。鈦酸鋇晶體鋇紅外線照射以后溫度開始上升，此時電極會有電壓差的出現，獲得電壓輸出信號。其構成包括紅外感應源、EMI電容、偏置電阻、光學濾鏡以及場效應管。

傳感器電路包括光耦保護電路模塊與時鐘電路模塊兩個部分。①光耦保護電路模塊為DC5V的單片機電壓，照明電路的工作電壓是AC220V。電路設計的時候為防止單片機受到照明電路的影響，應用光耦繼電器設備負責電信號的傳輸。本次決定使用srd-05vdc-sl-c型號設備。該設備運行的時候能夠按照單片機信號對燈具當前運行狀態進行判斷，并調整電路開關，單片機與照明電路的工作電路彼此不會受到影響，具有獨立的特征。②使用DS1302時鐘芯片作為時鐘電路模塊，可以讓電路獲得相應的拓展功能。如建筑物突然斷電可以靠著系統內的備用電池繼續維持芯片運行，實現實時時間的記錄。為防止照明設備斷電造成不利影響，可以在系統控制程序中插入時鐘芯片，負責照明設備各種參數的記錄，包括耗電量、啟閉時間，所有數據最終都會被存放于芯片內的存儲空間。

（2）設計硬件設備

以LED燈具控制器、智能照明控制設備、CPN智能節電等設備組成建筑智能照明遠程控制系統。

①LED燈具控制器使用調光設備控制電路以及調光技術進行電阻值調節。在完成控制線路的設計以及恒定電源的安裝之后，使用遠程控制系統操控LED照明燈，流程為使用傳感器獲取建筑物的光照信息，之后系統就會向各個智能節電發布命令，構建光照模型，模型在不同的智能節點中創建相應場景，用于室內外照明狀況的分析，使用場景化技術與模塊控制技術操控照明度。控制節點能夠隨時監測回路照明情況，取得功率、電壓、電流等信息。使用控制模塊轉化數據格式，將其變成通信信號，信號可以被展示到控制屏。系統控制模塊智能節點使用互聯網技術同照明控制器進行交互，在獲得控制命令以后就能操控調光系統。②智能照明控制設備是由半導體開關、傳感器、智能處理設備組成的，擁有對外通信與照明設備定時管理功能。在同智能節點相互連接誒之后，鏈接照明設備的端口，完成啟閉與調光控制。③CPN智能節點可以同TCP/IP端口鏈接，其構成包括數據處理、智能存儲、DCU通信單元以及CPN數據接口。數據接口可以讓各個智能節點相互交流，連接方式為雙絞線，所以可以完成數據計算拓展。使用CPN智能節點就可以處理通信單元各種信號，包括照明設備開關、燈具靈活調節以及建筑物照明情況的獲取。使用通信單元將建筑物CPN模塊與通信接口連接之后，可以讓操作人員不僅使用遠程控制程序操控LED設備與燈具，還能了解設備與燈具用電量和系統功率。

（3）設計功能模塊

首先是設計功能模塊，負責用于建筑物所有燈光的控制，可以將照明系統各種信息采集到中央系統，并對能耗進行統計與計算，為照明系統提供如過壓過載信息、照明系統故障報警信息，可以讓用戶隨時掌握照明系統運行情況。模塊包括數據分析、通信以及光調節。在系統中數據分析是最重要的部分，可以用于系統關鍵數據的解析，確認變量值情況之后明確控制方法。此外還能統計與計算系統用電情況，控制與管理能耗電壓與電流。通信模塊具有連接能力，可以將照明系統、遠程控制中心進行連接，使用數據幀的辦法達成系統各單元數據交換與共享。光調節模塊也很重要，只需要將信息輸入到系統之后，并添加環境參數與設備參數，模塊就能自動創建室內光照度與人員分布的模型，系統對建筑物燈光情況整體分析后可以自行調節各路燈光，包括參數調節與開關控制。

其次是系統功能。系統功能包括時間控制、系統巡測、設備分組、報警處理、遠程控制、系統自檢、組網通信。①時間控制。使用時間控制的辦法遠程控制建筑物智能化照明系統，使用定時控制、分時控制和預約控制三種控制形式。系統擁有拓展能力，設置的時候使用多樣化實踐方案，用于系統各個回路的靈活控制。時間方面的控制模式包括二次開燈、一周循環、節假日、日出日落開的關燈、以及普通等模式。按照實際情況用戶選擇相應的控制模式與控制方法。明確控制方式之后在照明系統智能控制設備中輸入信息。②系統巡測具有選測、手動巡測以及自動巡測等功能。照明系統在運行的時候可以采集各種直流模擬量、功率因數、有功功率、回路電流、三相電路以及繼電器狀態數據。應用功率因數、有功功率、12路電流、三相電壓，使用2路直流變送器接口控制與采集數據，使用8路繼電器完成電子信號輸出，實現220V、10A交流電路的控制，完成脈沖量與開關量輸出，可以幫助系統更好的巡測，系統巡測的時候就能提供通信支持。③設備分組，按照建筑物不同區域同行線路與分布，實現照明設備與照明系統的分組控制，支持遠程控制系統與各組控制單元連接，掌握各個設備運行狀態以及開關燈日志、設備在線日志、照明系統燈具參數與狀態，掌握設備運行問題。除此之外還能查詢了解燈具開關終止時間與起始時間，準確分析系統的控制情況。④報警處理。在發現系統異常以后，能夠將報警信息及時發出，包括燈具短路、過壓過載、配電箱異常開關、線路停電、晚上熄燈以及白天亮燈。在發出警報以后，系統按照實際情況將報警信息發送到用戶終端。因為系統擁有無線通信能力，所以在發現用戶終端出現故障沒有響應能力時，可以利用控制中心操作面板直接操控服務器，使用光纖通信或是局域網通信進行建筑物燈具控制。⑤遠程控制，操作人員可以使用計算機設備、平板電腦、智能手機查詢建筑物各種燈具狀態，遠程操作設備開關。⑥系統自檢即系統運行的時候，可以讓工作人員使用遠程系統進行通信狀態監測，包括用戶登錄、TCP通信連接狀態以及網絡信號強度，判斷系統有沒有運行風險和異常信息。⑦組網通信，使用光纖通信、以太網通信、GPRS無線通信。操作人員隨時調整組網模式與通信網絡操控設備。

4 結語

依靠大數據技術、人工智能技術與計算機操控建筑物內的智能照明系統，高效率、自動化、遠程操控照明系統。不僅能夠節省電源，同時也能更科學、有效的使用智能設備，符合建筑物智能照明遠程控制系統管理需要。