基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下車庫(kù)智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鐵 靜， 李 蔚

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，私家車輛越來(lái)越多，停車位超過300個(gè)的大型地下停車場(chǎng)[1]在各類形式的建筑中屢見不鮮，故車輛停車場(chǎng)的照明用電也是建筑能耗中不可忽視的一部分。地下車庫(kù)作為車輛停放的場(chǎng)所，人車的活動(dòng)有著不確定性，這就決定了地下車庫(kù)的照明有著“間歇性”照明的規(guī)律。

目前國(guó)內(nèi)地下車庫(kù)的照明主要存在以下問題[2]：(1)燈具在無(wú)人車活動(dòng)時(shí)連續(xù)、無(wú)效的照明，耗費(fèi)大量的電能。(2)部分物業(yè)公司為了節(jié)省用電，直接拆掉燈管，犧牲了用戶的照明體驗(yàn)，也造成了安全隱患。(3)部分車庫(kù)采用“熒光燈+時(shí)控”的照明方式，控制方式粗糙，節(jié)能效果不佳。(4)采用“聲控”LED燈具時(shí)，因聲音分貝值無(wú)法統(tǒng)一，燈具點(diǎn)亮參差不齊，照明效果不理想；更為嚴(yán)重的是，地下車庫(kù)電機(jī)或水泵啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的噪聲，讓燈具一直處于常亮狀態(tài)，導(dǎo)致浪費(fèi)。

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)車庫(kù)照明節(jié)能的目標(biāo)，本文在集成了幾種常見的智能照明控制技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能照明控制技術(shù)，供大家研究參考。

1 幾種智能照明控制系統(tǒng)的控制技術(shù)

1.1 DALI控制技術(shù)

目前，常用的智能照明是利用DALI(Digital Addressable Lighting Interface)控制技術(shù)，采用IEC929所規(guī)范的數(shù)字式可尋址照明接口和協(xié)議。該技術(shù)利用安裝于配電箱內(nèi)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊給需要控制的照明回路一個(gè)獨(dú)立的地址，再通過信號(hào)線輸入指令，利用軟件和開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的控制[3]。實(shí)現(xiàn)上述智能照明控制系統(tǒng)需要布置網(wǎng)絡(luò)線、信號(hào)線、電力線，系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)成本高，可靠性較差的缺點(diǎn)十分明顯[4]。

1.2 波寬控制調(diào)光技術(shù)

目前，波寬控制調(diào)光(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)是一種較為成熟的調(diào)光技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說，就是通過對(duì)工作元件上的電壓信號(hào)進(jìn)行占空比控制，利用控制電路的接通和關(guān)閉的比率大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作元件上電壓信號(hào)的平均值的控制，在電阻基本不變的情況下，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)工作元件的電流控制。在控制方式中，還可加入更為靈活的半功率點(diǎn)亮、全功率點(diǎn)亮、三分之一功率點(diǎn)亮、強(qiáng)制開啟和復(fù)位等多功能、多場(chǎng)景的照明模式。

1.3 電力載波技術(shù)

電力載波技術(shù)(Power line Communication)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)[5]。最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)信號(hào)線，只要有電力線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

地下室的LED燈具常規(guī)接入配電箱內(nèi)AC 220V的單相電壓，避免了配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔以及三相電力線間有很大信號(hào)損耗。因此，在地下室內(nèi)以每個(gè)防火分區(qū)(≤500m2)為單元，通過電力載波實(shí)現(xiàn)控制器與燈具的通訊具有可行性，且相較于DALI智能照明控制系統(tǒng)中布置的通訊線路，此種通訊方式大大簡(jiǎn)化了布線，節(jié)約了成本。

1.4 無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是利用特殊的頻段進(jìn)行信號(hào)的傳遞，其特點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單、信號(hào)傳遞速度快，可用于探測(cè)器和接收裝置之間因安裝距離較遠(yuǎn)、通訊信號(hào)強(qiáng)度不足等情況[6]。在地下車庫(kù)智能照明控制系統(tǒng)中，主要是用于燈具之間通訊方式，可以通過在燈具中加入無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)模塊，利用無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更為快速的通訊方式，避免紅外、聲控這兩種通訊方式響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，人走到燈下才能點(diǎn)亮的缺點(diǎn)，同時(shí)解決了當(dāng)車快速行駛通過時(shí)燈具通訊滯后的問題。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)

2.1 工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)(原理圖參見圖1)在DALI智能照明控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，將原有需要利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊給照明回路一個(gè)地址的方式，改進(jìn)為將通訊模塊集成到LED燈具上的方式，直接給每盞燈具一個(gè)獨(dú)立的地址。這樣既減少了開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊這部分造價(jià)，也使控制對(duì)象由原來(lái)的照明回路精細(xì)到了每盞燈具。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明工作原理框圖

再采用電力載波通訊技術(shù)及無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，先由燈具上的傳感器采集人或車進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的模擬信號(hào)，再由載波控制芯片把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻信號(hào)，通過電力線的某個(gè)頻段傳輸?shù)街悄苷彰骺刂破魃?；智能照明控制器再將接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對(duì)信息進(jìn)行分析、處理，再統(tǒng)一下發(fā)命令到各個(gè)燈具上，由各個(gè)燈具執(zhí)行相應(yīng)的開燈或者關(guān)燈命令。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由照明主機(jī)、智能照明控制器、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)模塊、新型LED車庫(kù)燈等組成。

新型LED車庫(kù)燈采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是車庫(kù)的照明部分，由集成通訊模塊、人體感應(yīng)器和LED光源組成。通過電力載波技術(shù)不需要額外增加通訊線纜即可實(shí)現(xiàn)通信功能，控制信號(hào)線和電源線共用。每盞燈具帶有獨(dú)立的地址碼，便于控制器進(jìn)行精細(xì)控制。燈具接入常規(guī)AC 220V的電壓，每個(gè)照明控制回路設(shè)置單獨(dú)的相線(L)和零線(N)與市電AC 220V連接即可。

智能照明控制器是整個(gè)照明系統(tǒng)的控制中心，它將新型LED車庫(kù)燈反饋回來(lái)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理，通過波寬控制調(diào)光調(diào)光技術(shù)控制燈具執(zhí)行全功率點(diǎn)亮、半功率點(diǎn)亮、二亮一、循環(huán)亮、微亮等照明控制模式，執(zhí)行預(yù)設(shè)的調(diào)光功能。

無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)模塊是智能照明控制器連接物聯(lián)網(wǎng)LED車庫(kù)燈的橋梁，相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)中路由器的功能；智能照明控制器與無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)模塊是通過電力線載波通訊。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)性能分析

3.1 控制方式

為保證行人和車輛進(jìn)出停車場(chǎng)的行車、停車安全，并節(jié)省照明用電，對(duì)地下車庫(kù)照明實(shí)施智能化控制，具體控制方式如下。

(1)當(dāng)車輛或行人進(jìn)入車庫(kù)時(shí)，一盞燈具上的傳感器感應(yīng)到信號(hào)后，主干道上相應(yīng)區(qū)域的所有燈具迅速自動(dòng)點(diǎn)亮，給行人和司機(jī)開闊、明亮的視覺照明效果，車位燈具不亮；當(dāng)車輛或行人進(jìn)入到某停車位時(shí)，該停車位的LED燈具自動(dòng)點(diǎn)亮。

(2)人(車)離開車位后，燈具自動(dòng)熄滅，車道燈具自動(dòng)切換為點(diǎn)亮一半的燈具的節(jié)能照明模式。且可以在保證區(qū)域內(nèi)基本的照明亮度(不低于一般照明照度標(biāo)準(zhǔn)值的10%)基礎(chǔ)上，通過減小燈具功率，進(jìn)一步節(jié)約電能。在點(diǎn)亮一半燈具時(shí)，還可以通過輪流切換點(diǎn)亮燈具的控制方式，減少每盞燈的發(fā)熱量，從而延長(zhǎng)燈具的使用壽命。

(3)還應(yīng)分時(shí)段、分區(qū)域的控制點(diǎn)亮方式。例如，在夜間應(yīng)考慮到值班、警衛(wèi)照明的最低照度要求，通過該區(qū)域內(nèi)的智能照明控制器調(diào)節(jié)車道燈具的亮度，將其控制在5～10lx，并形成單獨(dú)的值班、警衛(wèi)照明回路，進(jìn)一步降低區(qū)域內(nèi)的照度達(dá)到更好的節(jié)能效果。即利用最少的能源保證所要求的照度水平。

下面通過DIALUX照明設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件工具來(lái)建立地下室停車場(chǎng)的照明模型，以分析上述照明控制方式是否能達(dá)到JGJ 100-2015《車庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》表7.4.3(參見表1)照明標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

停車場(chǎng)照明標(biāo)準(zhǔn)值 表1

建模范圍：16.8 m(長(zhǎng))×17.2 m(寬)×2.6 m，車道兩排燈(每排4盞燈)，車道兩邊各有6個(gè)車位(每3個(gè)車位一盞燈)；維護(hù)系數(shù)：0.67，地板反射系數(shù)：85%，天花板反射系數(shù)：90%，墻壁反射系數(shù)：50%，平面圖如圖2所示。

圖2 停車場(chǎng)局部燈具布置圖

當(dāng)車輛或行人進(jìn)入車庫(kù)該區(qū)域時(shí)，相關(guān)主干道上的所有燈具自動(dòng)點(diǎn)亮。模型車通道燈具全亮?xí)r等照度曲線圖如圖3所示，照度計(jì)算結(jié)果如表2所示，滿足規(guī)范規(guī)定值。

模型車道燈具全亮?xí)r照度計(jì)算表 表2

圖3 模型車道燈具全亮?xí)r等照度曲線圖

當(dāng)車輛或行人離開車庫(kù)該區(qū)域時(shí)，相關(guān)主干道上的所有燈具自動(dòng)調(diào)整為微亮模式，每盞燈具功率為3W。模型車道燈具微亮?xí)r等照度曲線圖如圖4所示，照度計(jì)算結(jié)果如表3所示，滿足規(guī)范規(guī)定不低于停車場(chǎng)規(guī)定一般照明照度標(biāo)準(zhǔn)值的10%。

模型車道燈具微亮?xí)r照度計(jì)算表 表3

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以一個(gè)建筑面積約為11 558.61m2的機(jī)動(dòng)車庫(kù)，機(jī)動(dòng)車位為747個(gè)，共有12個(gè)防火分區(qū)為例，共布置了1 000盞燈具(僅車道和車位)，其中車道燈600盞，車位燈400盞。將非智能型LED與新型LED進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的分析，詳見表4。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析 表4

圖4 模型車道燈具微亮?xí)r等照度曲線圖

采用新型LED智能照明控制系統(tǒng)后：年節(jié)約電量=傳統(tǒng)照明系統(tǒng)年耗電量-基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)LED車庫(kù)燈年耗電量=131 400 元-22 155元=109 245元。節(jié)電率=基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)年節(jié)電量/傳統(tǒng)照明系統(tǒng)年耗電量=(109 245kWh/131 400 kWh)×100%=83.14%。投資回收期=基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)系統(tǒng)造價(jià)-傳統(tǒng)照明系統(tǒng)設(shè)備購(gòu)置及更換維修費(fèi)=(40.31萬(wàn)元-4.1萬(wàn)元)/10.92萬(wàn)元≈2.4年。

3.3 與DALI系統(tǒng)的比較

現(xiàn)將本文所述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)與常見的DALI系統(tǒng)[7]做一比較，詳見表5。

3.4 技術(shù)展望

鑒于上述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)良技術(shù)特性，由于其系統(tǒng)的特性，還可將其與智能車位引導(dǎo)系統(tǒng)相結(jié)合。當(dāng)讀取到車輛入閘信息，一體化的LED燈具將通過燈光的變化指引車輛停到附近最適合的空位，以更充分地發(fā)揮智能照明控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而簡(jiǎn)化地下室的停車系統(tǒng)節(jié)約成本。

兩種智能照明系統(tǒng)的比較表 表5

4 結(jié)束語(yǔ)