基于AIoT技術(shù)的LED智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)

于春榮 馬滿增 劉春玉

【摘要】針對(duì)傳統(tǒng)照明控制方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，節(jié)能效果差等缺點(diǎn)，本文提出基于AIOT的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)，將人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嵌入LED照明終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)程智能照明控制與監(jiān)測(cè)，具有智能按需照明、節(jié)能率高、主動(dòng)感知能力強(qiáng)、操控簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】AIOT;智能節(jié)能照明;數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

【基金項(xiàng)目】滄州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃指導(dǎo)項(xiàng)目：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下道路照明智能控制系統(tǒng)的研究（項(xiàng)目編號(hào)：204102001）

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.023

“AIoT”的中文名稱是智能物聯(lián)網(wǎng)，即“AI+IoT”，是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)組合、應(yīng)用融合。AIoT以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)挖掘形成控制策略，以半導(dǎo)體為智能算法載體，以各類傳感器信息采集為基礎(chǔ)，以通信網(wǎng)絡(luò)和信息安全等技術(shù)為實(shí)施保障。實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物數(shù)字化、智慧化和網(wǎng)絡(luò)化。即將AI賦能于IoT并最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化升級(jí)。

1. 基于AIoT技術(shù)的LED智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

智能照明技術(shù)自從上世紀(jì)90年代進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，受到市場(chǎng)環(huán)境、產(chǎn)品價(jià)格、消費(fèi)意識(shí)、產(chǎn)品市場(chǎng)推廣力度等各方面原因的影響，市場(chǎng)保有量有限，發(fā)展緩慢。近年來(lái)，隨著人們節(jié)能意識(shí)、智能化消費(fèi)意識(shí)的提升，國(guó)內(nèi)智能照明行業(yè)迅速進(jìn)展。據(jù)調(diào)查顯示，2017-2020年，我國(guó)智慧照明市場(chǎng)規(guī)模由118.10億元擴(kuò)大至近250億元，年均增速達(dá)到47.6%。智慧照明行業(yè)涉及領(lǐng)域廣闊，涵蓋智慧城市照明方案設(shè)計(jì)、智能家居照明設(shè)計(jì)，智能商用照明設(shè)計(jì)，產(chǎn)品研發(fā)制造及后期運(yùn)維管理等多個(gè)環(huán)節(jié)。目前，我國(guó)城市照明行業(yè)內(nèi)企業(yè)數(shù)量眾多，但80%企業(yè)規(guī)模較小，產(chǎn)品智能化程度較低，產(chǎn)品特色差異性較弱，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。從地域分布來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)規(guī)模大、技術(shù)較領(lǐng)先的智慧照明企業(yè)主要集中在廣州、深圳等一線城市以及江蘇、浙江等發(fā)達(dá)省市，區(qū)域市場(chǎng)特征明顯。其中最具代表性的為中山市古鎮(zhèn)的“中國(guó)燈都”，常州市“中國(guó)燈具城”，山東省臨沂市“中國(guó)燈具交易市場(chǎng)”。

隨著美麗中國(guó)、新型城鎮(zhèn)化、智慧城市等概念的提出，特別是“十四五”規(guī)劃中將減少碳排放量，實(shí)現(xiàn)生態(tài)化可持續(xù)發(fā)展，提升到國(guó)家戰(zhàn)略地位。地方政府由此對(duì)于智能化照明節(jié)能工程重視程度不斷提升。預(yù)計(jì)未來(lái)我國(guó)智慧城市照明行業(yè)市場(chǎng)集中度和普及率有望得到進(jìn)一步提高。

2. 基于AIoT技術(shù)的LED智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的基本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智的能照明控制系統(tǒng)，分別由終端感知執(zhí)行層、信息傳輸層和控制應(yīng)用層組成。其中終端感知層主要包括各類智能傳感器，其主要功能為采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行能耗、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。并且自動(dòng)執(zhí)行控制層操控終端設(shè)備運(yùn)行命令等功能。具有自組織、自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償、復(fù)合感知等能力;信息傳輸層由ZigBee、NB-IoT、5G等無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)成，是整個(gè)的控制系統(tǒng)的信息傳輸通道;控制應(yīng)用層則主要由控制、云存儲(chǔ)、執(zhí)行、管理等集群組成。其主要功能為分析終端感知執(zhí)行層回傳的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，能耗數(shù)據(jù)，運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，最終形成智能照明控制策略，控制終端感知執(zhí)行層。

基于AIoT技術(shù)的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層架構(gòu)體系（的基礎(chǔ)上，結(jié)合AIoT技術(shù)的實(shí)際融合應(yīng)用，系統(tǒng)總體層級(jí)架構(gòu)共計(jì)5層，分別由終端設(shè)備層、智能感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、AI控制層和應(yīng)用場(chǎng)景層構(gòu)成。其中，終端設(shè)備層位于架構(gòu)的最底層，是智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“綠色化”和“智能化”的承擔(dān)者;智能感知層即具有通信能力的各類智能化設(shè)備以及智能傳感器和控制器，可進(jìn)行信息的初步處理并為應(yīng)用場(chǎng)景層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)通信層即系統(tǒng)中的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和綜合布線系統(tǒng)，主要承載著來(lái)自感知層獲取的信息傳遞和數(shù)據(jù)通信的任務(wù);AI控制層則相當(dāng)于人工智能控制決策平臺(tái)，即通過(guò)AI智能單元、智能算法以及信息技術(shù)來(lái)完成各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息的挖掘、分析、統(tǒng)計(jì)及整合，最終實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與控制、智能決策及個(gè)性化定制等功能;應(yīng)用場(chǎng)景層即根據(jù)不同用戶的不同要求建立面向具體用戶的各個(gè)模塊系統(tǒng)的系統(tǒng)集成平臺(tái)。系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括：

2.1 按需照明

與傳統(tǒng)的照明方式相比，基于AIoT技術(shù)的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)能夠依照國(guó)家相關(guān)照明標(biāo)準(zhǔn)，滿足不同用戶，不同時(shí)段，不同季節(jié)，不同環(huán)境場(chǎng)景的照明需求，同時(shí)節(jié)約電能。實(shí)際應(yīng)用中，采用AI單元模塊嵌入LED智能照明燈具，根據(jù)對(duì)場(chǎng)景照明終端采集數(shù)據(jù)的挖掘與分析，形成專用照明節(jié)能控制策略，通過(guò)人工智能+物聯(lián)網(wǎng)控制方案，結(jié)合人體偵測(cè)感應(yīng)和光照傳感器，實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)控制、光線感應(yīng)補(bǔ)充調(diào)光控制、定時(shí)照明控制以及場(chǎng)景預(yù)設(shè)控制等，對(duì)不同光照、不同環(huán)境的照明能耗進(jìn)行精確管理，嚴(yán)格將照明效果控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，即足夠滿足照明需求，又不浪費(fèi)每一度電。

系統(tǒng)包括上位機(jī)和照明子系統(tǒng)，各照明子系統(tǒng)的子控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通訊連接，照明子系統(tǒng)包括傳感器、控制器、存儲(chǔ)器、智能開(kāi)關(guān)和若干子照明控制單元;照明子系統(tǒng)傳感器將采集的圖像信息傳輸給控制器，處理后將結(jié)果上傳至上位機(jī);上位機(jī)控制器接收并處理后，形成照明節(jié)能控制策略，上位機(jī)通過(guò)控制器發(fā)送控制指令，控制智能開(kāi)關(guān)對(duì)照明終端進(jìn)行調(diào)控?；贏IOT智能照明系統(tǒng)可將照明區(qū)域劃分為若干個(gè)子照明區(qū)域，可分區(qū)域自主性控制各子照明區(qū)域內(nèi)的照度、色溫等光照信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了按需分配照明的智能化管控制度，避免無(wú)照明需求區(qū)域照明。

2.2 故障預(yù)測(cè)

基于AIoT技術(shù)的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)可進(jìn)行故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常數(shù)據(jù)分析以及利用預(yù)測(cè)模型進(jìn)行故障的提前預(yù)測(cè)，確保安全、節(jié)能、提升系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)與維護(hù)管理效率。在提高和滿足人員健康和舒適性的同時(shí)有效降低能耗，還可以基于構(gòu)建的AI算法模型來(lái)針對(duì)照明系統(tǒng)開(kāi)展全生命周期的故障診斷、預(yù)測(cè)以及健康評(píng)估與運(yùn)維管理，從而使照明系統(tǒng)的智能化運(yùn)維更具可持續(xù)性，主要功能如下：

（1）故障在線診斷，照明系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)艟哌\(yùn)行狀況，采集燈具及附屬設(shè)備的電新疆高速公路調(diào)頻廣播覆蓋及應(yīng)急廣播綜合工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)初案壓、電流、功率和亮度等參數(shù)及時(shí)上傳到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，上位機(jī)管理控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、對(duì)比后，及時(shí)篩選異常數(shù)據(jù)，定位故障燈具和故障設(shè)備，并以短信、終端異常顯示、鳴叫等方式提醒管理人員進(jìn)行維護(hù)。

（2）系統(tǒng)巡測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和決策，監(jiān)控設(shè)備按設(shè)定的時(shí)間周期自動(dòng)定時(shí)巡測(cè)，也可隨時(shí)手動(dòng)巡測(cè)和選測(cè)各終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。巡測(cè)包括照明燈具及附屬設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、亮燈時(shí)長(zhǎng)、耗電量等參數(shù)，并計(jì)算當(dāng)前出節(jié)電量、節(jié)電率、故障燈維護(hù)管理數(shù)據(jù)，以EXCEL圖、表的形式顯示。管理人員隨時(shí)查詢、導(dǎo)出，形成一部完整的節(jié)能檔案，為管理人員解決實(shí)際問(wèn)題以及預(yù)測(cè)和優(yōu)化照明燈具運(yùn)維提供決策參考。

3. 基于AIoT技術(shù)的LED智能節(jié)能照明系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

智能照明系統(tǒng)通過(guò)終端設(shè)備感知層的傳感器對(duì)照明場(chǎng)景內(nèi)的用戶、照明環(huán)境、照明效果、照明時(shí)長(zhǎng)、照明動(dòng)態(tài)變化等相關(guān)信息進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析，形成對(duì)應(yīng)的智能節(jié)能照明控制策略，對(duì)LED終端照明設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此照明效果始終與照明要求動(dòng)態(tài)呼應(yīng)，智慧、節(jié)能理念貫穿始終。未來(lái)基于AIOT的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)，將取消電路開(kāi)關(guān)，完全依靠場(chǎng)景的需求。進(jìn)行照明。這種融合數(shù)字化、智能化和經(jīng)濟(jì)性為一體的智慧照明正在成為未來(lái)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。而隨著國(guó)內(nèi)智能照明行業(yè)逐漸走向成熟，智能照明產(chǎn)品普及率將逐年提高，未來(lái)智慧化LED照明行業(yè)將出現(xiàn)四大機(jī)會(huì)。

3.1 光源和新技術(shù)的成熟或迭代

多年前，通訊照明、光纖照明、激光照明等多種新產(chǎn)品或應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，且在不斷地探索和完善中。在技術(shù)日益創(chuàng)新的時(shí)代，智能新材料、模塊化新技術(shù)，智能化照明、智慧化家裝的新潮流，成為這個(gè)全新領(lǐng)域的“獨(dú)角獸”和創(chuàng)變者的關(guān)鍵詞。

3.2 新應(yīng)用可能改變傳統(tǒng)照明方式

LED和建筑材料、裝修材料、家居產(chǎn)品的融合也會(huì)是一種新趨勢(shì)，從而改變固有的一些照明方式。模塊化建筑材料的發(fā)展很可能在未來(lái)改變家裝行業(yè)，通過(guò)模塊化、智能化理念重塑裝修行業(yè)新價(jià)值。

3.3 新供應(yīng)鏈模式帶來(lái)的行業(yè)和市場(chǎng)機(jī)會(huì)

傳統(tǒng)行業(yè)的銷售模式基本屬于B2B2C模式，但根據(jù)大數(shù)據(jù)而催生的C2M柔性定制模式已經(jīng)成為公認(rèn)的新趨勢(shì)，紅嶺、海爾、美的等大企業(yè)在這些方面都做了較早的探索，并取得了的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，人們生活將更加推崇個(gè)性化、定制化。

3.4 照明產(chǎn)品的電子化趨勢(shì)

LED的出現(xiàn)讓照明產(chǎn)品更趨于電子化，而電子化意味著電子信息科技、電子技術(shù)和應(yīng)用的接入，讓照明產(chǎn)品的創(chuàng)新充滿無(wú)限想象的空間。這種電子化趨勢(shì)，為照明產(chǎn)品注入更多活力，實(shí)現(xiàn)光與建筑、光與藝術(shù)、光與空間、光與人等之間的交互，讓照明變得更具想象力。

從白熾燈到熒光燈及鹵素?zé)舻牡?，整整用了近百?從傳統(tǒng)照明邁向普及性的LED照明，卻只用了十余年的時(shí)光，這是新技術(shù)的力量！未來(lái)，我們期待更新、更強(qiáng)和更多元化的照明技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用方式的出現(xiàn)，為人類創(chuàng)造更健康、更具效能、更節(jié)能環(huán)保的新生活。

參考文獻(xiàn)：

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