新型建筑智能化平臺(tái)下的智能照明控制系統(tǒng)

蔡芙蓉，侯瑞堃

（1.航天科工廣信智能技術(shù)有限公司；2.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司）

1 引言

能源消耗嚴(yán)重、資源利用率比較低始終是建筑工程領(lǐng)域比較常見(jiàn)的問(wèn)題之一，智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用可以有效降低建筑單元模塊的能源消耗量，提高能源使用效率，優(yōu)化控制精度、控制效果。智能平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的重要基礎(chǔ)，其具備強(qiáng)大的邏輯控制功能，可以適用在不同的環(huán)境內(nèi)，減少了照明控制中的人工成本投入。因此，對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，具有重要的意義。

2 智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

2.1 照明開(kāi)關(guān)控制

新型建筑基于智能節(jié)點(diǎn)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備單元的科學(xué)控制，將各節(jié)點(diǎn)之間連接成為系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的科學(xué)連接。系統(tǒng)運(yùn)行根據(jù)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的科學(xué)控制。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)將各大模塊連接至節(jié)點(diǎn)之上，其中包括開(kāi)關(guān)控制單元、光源調(diào)整單元、傳感器裝置等，各大單元與智能控制節(jié)點(diǎn)連接到一起，完成對(duì)各大模塊功能的智能控制。

以公共區(qū)域?yàn)槔湓诳臻g內(nèi)需要安裝日光燈，數(shù)量多為4路，部分大空間內(nèi)甚至更多。日間利用窗戶可以降低光源需求量，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于空間內(nèi)對(duì)光環(huán)境的實(shí)際需求開(kāi)展，以節(jié)能降耗為目標(biāo)進(jìn)行智能控制。

①為滿足空間內(nèi)人員對(duì)光源亮度和光源感受的實(shí)際需求，系統(tǒng)具備手動(dòng)控制功能，可以進(jìn)行光源調(diào)整、光源閉合等工作[1]。

②在特定的時(shí)間，根據(jù)人員數(shù)量和空間亮度，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的自動(dòng)調(diào)節(jié)和閉合。按照公共區(qū)域照明標(biāo)準(zhǔn)文件內(nèi)對(duì)照明亮度的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，如果亮度降低，則對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，如果系統(tǒng)檢測(cè)公共空間內(nèi)并不存在人員，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

③按照照明時(shí)間需求，在特定的時(shí)間范圍內(nèi)照明系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持閉合狀態(tài)。

基于上述控制策略的設(shè)計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)智能照明系統(tǒng)控制平臺(tái)。平臺(tái)輸入源中應(yīng)安設(shè)人體傳感器、攝像頭、照明傳感器等裝置。傳感器會(huì)將采集的人員數(shù)量信息和光源亮度信息傳輸至系統(tǒng)之中，根據(jù)人員數(shù)量以及實(shí)際亮度自動(dòng)對(duì)光照度進(jìn)行調(diào)整，使其滿足建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.2 調(diào)控組合控制

通過(guò)傳感器裝置的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)空間亮度需求實(shí)現(xiàn)對(duì)光源亮度的動(dòng)態(tài)控制，并具備自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉等功能。但將其應(yīng)用到具體的環(huán)境之內(nèi)，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)光控制，確保其可以同時(shí)滿足照明需求和節(jié)能需求。

在不同的區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感器裝置，按照距離外窗位置的距離從近到遠(yuǎn)對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，共計(jì)設(shè)計(jì)4組LED燈管，按照座位對(duì)傳感器的位置進(jìn)行確定。調(diào)控組合控制系統(tǒng)采用PSO算法對(duì)亮度進(jìn)行組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，在迭代計(jì)算的過(guò)程中，尋找出最優(yōu)解，以確保可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光源亮度的組合控制。由于不同區(qū)域的光源亮度存在差異，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)光，結(jié)合實(shí)際環(huán)境建立亮度模型，計(jì)算亮度之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)其通光量進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，確保每個(gè)空間照明區(qū)域之間補(bǔ)光后亮度誤差在10%以內(nèi)，確保各空間區(qū)域滿足亮度需求的同時(shí)，能源消耗量最低。在此，基于智能化平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，建立場(chǎng)景仿真模型，可以對(duì)不同空間區(qū)域在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)光量和光通量參數(shù)進(jìn)行確定，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)控組合控制亮度的作用[3]。

3 智能照明系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 智能照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能化平臺(tái)的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于對(duì)智能節(jié)點(diǎn)的控制，應(yīng)用控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的邏輯控制，其硬件系統(tǒng)中包括燈管、觀感器裝置、控制器等。系統(tǒng)中的每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的硬件單元，對(duì)應(yīng)建筑相應(yīng)的空間模塊。通過(guò)通信接口與照明設(shè)備連接到企業(yè)，實(shí)現(xiàn)各空間模塊之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接。智能控制系統(tǒng)中的單元模塊中包括儲(chǔ)存單元、數(shù)據(jù)接口和通信接口，中央處理器裝置發(fā)揮數(shù)據(jù)處理功能，智能節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存單元對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集、調(diào)整、控制，對(duì)照明系統(tǒng)具體的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行反饋。同時(shí)，建立智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的集合，對(duì)具體的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，數(shù)據(jù)集合中包括人員信息、環(huán)境參數(shù)信息、照明設(shè)定值、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。運(yùn)行數(shù)據(jù)中包括光源亮度信息、照明系統(tǒng)功率、能源消耗量和設(shè)備損壞預(yù)警。

在整個(gè)硬件系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)是確保各智能節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交流的基礎(chǔ)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均需要設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)量的接口，支持不同方向數(shù)據(jù)的交互控制。雙絞線是智能節(jié)點(diǎn)空間模塊連接的主要載體，數(shù)據(jù)之間通過(guò)直接交流的方式建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通信接口是設(shè)備與智能控制單元的連接關(guān)鍵，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以采集控制數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)。為了確保整個(gè)硬件系統(tǒng)可以支持光源組合調(diào)控功能，各大硬件系統(tǒng)均設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的信息集，完成通信功能。但系統(tǒng)如何通過(guò)采集的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)或者系統(tǒng)的設(shè)定，最終將采集數(shù)據(jù)的控制質(zhì)量反饋至具體的設(shè)備之上，是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵。

在此，DCU接口與CPN（用戶駐地網(wǎng)）模塊之間形成了連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源系統(tǒng)的調(diào)整工作，并可以對(duì)具體的運(yùn)行功率和用電量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、反饋。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，避免控制過(guò)程中機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)拉弧故障，內(nèi)部同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)用智能處理器，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)的分析，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用無(wú)線裝置，數(shù)據(jù)傳輸方式更加靈活。

控制器通過(guò)無(wú)線通信與CPN連接在一起，同時(shí)具備供電端口和調(diào)光端口，通過(guò)編寫軟件的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)燈管的自動(dòng)化控制。在系統(tǒng)外部外接相應(yīng)的調(diào)光器按鈕，用戶可以根據(jù)自己的需求對(duì)光源進(jìn)行調(diào)整。

照明控制系統(tǒng)應(yīng)用LED燈管，光效比較高，節(jié)能效果比較強(qiáng)，具有良好的散熱效果。設(shè)計(jì)應(yīng)用的LED燈管運(yùn)行功率在45W，輸入電壓參數(shù)在48V，采用柔光罩對(duì)光源進(jìn)行處理，減少光源對(duì)用戶眼睛的影響程度，提供更加優(yōu)質(zhì)的照明服務(wù)。該系統(tǒng)應(yīng)用光源調(diào)整裝置，設(shè)計(jì)獨(dú)立的電路對(duì)其進(jìn)行控制，按照結(jié)構(gòu)模塊可以將其分為供電電壓、低壓電路兩種，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的方式對(duì)輸出電壓值進(jìn)行控制。燈源驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部設(shè)定控制線路，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)燈源的調(diào)節(jié)控制。

CPN模塊之間基于網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)連接目標(biāo)，控制器的能源消耗量也比較低，將DCU通信接口與CPN模塊之間有效連接在一起，控制器響應(yīng)CPN發(fā)送的指令信息，控制末端進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制和調(diào)光設(shè)置。

3.2 智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用可以對(duì)照明系統(tǒng)的用電信息進(jìn)程采集，對(duì)照明的能源消耗量進(jìn)行綜合資源，同時(shí)具備相應(yīng)的預(yù)警功能。當(dāng)照明系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)短路或者電壓、電流過(guò)載問(wèn)題，系統(tǒng)可以及時(shí)反饋故障信息，明確故障區(qū)域。為了提高用戶對(duì)照明系統(tǒng)的控制效果，更加準(zhǔn)確的掌握照明系統(tǒng)的信息，對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，并適當(dāng)增加新的功能，對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。照明系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為四大部分。

第一個(gè)部分是開(kāi)關(guān)的優(yōu)化模塊，通過(guò)對(duì)空間照明模型的建立，對(duì)最終的輸出結(jié)果進(jìn)行參數(shù)分析，可以基于軟件系統(tǒng)的控制功能實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二個(gè)部分是觸發(fā)幀生成模塊，其功能是完成軟件與智能節(jié)點(diǎn)之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的科學(xué)轉(zhuǎn)換。第三個(gè)部分是數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)傳回功能，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，并對(duì)變量值進(jìn)行查詢。第四個(gè)部分是能源消耗信息的儲(chǔ)存模塊，可以對(duì)用電量參數(shù)信息進(jìn)行儲(chǔ)存、展示。

軟件系統(tǒng)的調(diào)光優(yōu)化模塊開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各路燈管的科學(xué)調(diào)控。根據(jù)空間區(qū)域內(nèi)是否存在人員進(jìn)行照明控制調(diào)整，當(dāng)存在人員開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，并對(duì)實(shí)際的照明情況進(jìn)行分析，軟件模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)光源亮度的調(diào)整功能。基于觸發(fā)幀的生成與發(fā)送模塊設(shè)計(jì)，采用16進(jìn)制的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將照明系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)幀之間對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)幀的分析模塊設(shè)計(jì)仍以16進(jìn)制的數(shù)據(jù)形式展現(xiàn)，對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，最終得出用戶所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對(duì)數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其可以在界面內(nèi)直觀展示數(shù)據(jù)信息。能源消耗統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)采用定時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，每相隔10分鐘左右對(duì)照明系統(tǒng)的能源消耗量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理的，用戶可以在軟件系統(tǒng)內(nèi)操作能源消耗統(tǒng)計(jì)模塊的閉合時(shí)間，查詢以往的用電數(shù)據(jù)，當(dāng)能源消耗量出現(xiàn)異常時(shí)，則預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)。

基于上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)編程的方式賦予軟件系統(tǒng)相應(yīng)的功能。該軟件系統(tǒng)具備自動(dòng)操控功能，用戶可以基于軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的閉合控制，同時(shí)軟件具備相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行組合調(diào)控。用戶在登錄模塊之后可以對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，對(duì)歷史能源消耗量進(jìn)行查詢，從而對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)整。

4 智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有4盞LED燈管，基于智能軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使其具備數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)調(diào)控等相關(guān)功能。與傳統(tǒng)的光線傳感器控制方法進(jìn)行對(duì)比，采集以往的用電數(shù)據(jù)以及用電信息，對(duì)比智能化平臺(tái)建設(shè)應(yīng)用的照明控制系統(tǒng)，對(duì)比兩者之間的能源消耗量。采集數(shù)據(jù)從早晨6點(diǎn)至晚上12點(diǎn)的用電數(shù)據(jù)信息，對(duì)累計(jì)的能源消耗量進(jìn)行對(duì)比分析。傳統(tǒng)的光感控制方法累計(jì)能源消耗量達(dá)到1.985KW·h左右，而基于智能化平臺(tái)的照明控制系統(tǒng)能源消耗量在1.55KW·h左右?；谏鲜鰯?shù)據(jù)對(duì)本文設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，由于其屬于公共空間，照明系統(tǒng)在日間仍在運(yùn)行，長(zhǎng)期處于比較高的能源消耗狀態(tài)下，相比較傳統(tǒng)的人工控制方法而言，光感照明系統(tǒng)的能源消耗量明顯降低，但比較控制系統(tǒng)的應(yīng)用而言，其能源消耗量降低程度更高。究其原因，本文應(yīng)用調(diào)光算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)時(shí)根據(jù)用戶的需求調(diào)整具體亮度，在滿足用戶照明需求的同時(shí)，提高了能源的利用效率。此外，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用減少了人工操作環(huán)節(jié)，不需要人工對(duì)其進(jìn)行閉合操作，提高了照明系統(tǒng)的服務(wù)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能平臺(tái)建設(shè)基于照明控制模型的構(gòu)建，從軟件、硬件兩大模塊探討其智能控制功能應(yīng)用的可能性。照明控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域?qū)φ彰髟O(shè)計(jì)的實(shí)際需求，對(duì)照明亮度、照明時(shí)間、照明范圍等進(jìn)行明確，為了減少照明系統(tǒng)應(yīng)用的能源消耗量，通過(guò)組合調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的亮度組合，為建筑住戶提供優(yōu)質(zhì)的照明服務(wù)。