基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈 喆

（山西晉中理工學(xué)院，山西 晉中 030600）

智能照明控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于舞臺(tái)燈光、智能家居照明、工廠照明系統(tǒng)等場(chǎng)景中，是人工智能時(shí)代下的重要技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)前使用的照明控制系統(tǒng)主要包括硬件控制與軟件控制[1]。硬件控制通過(guò)硬件設(shè)備連接形成信號(hào)通路，人工控制燈光變化；軟件控制則使用計(jì)算機(jī)軟件控制，但大多數(shù)軟件均需要操作設(shè)備與照明設(shè)備的硬件連接，由軟件控制硬件，實(shí)現(xiàn)控制照明的目標(biāo)[2]。本研究提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)，使用移動(dòng)端APP作為控制平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制照明系統(tǒng)的核心功能，能有效解決場(chǎng)地與設(shè)備限制，提升照明控制效果與效率[3]。

1 智能照明控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的主要功能包括遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制、遠(yuǎn)程光線(xiàn)調(diào)節(jié)、能源消耗監(jiān)控、故障預(yù)警與處理4個(gè)模塊。系統(tǒng)包括多個(gè)互聯(lián)的傳感器和執(zhí)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(fā)送信號(hào)給執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)智能照明控制。系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)允許用戶(hù)通過(guò)APP遠(yuǎn)程控制照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)。當(dāng)用戶(hù)發(fā)出指令時(shí)，命令借助互聯(lián)網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制燈光開(kāi)關(guān)[2]。此功能適用于所有系統(tǒng)內(nèi)的照明設(shè)備，可打破距離的限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制模塊包括用戶(hù)界面、命令傳輸和控制邏輯功能。遠(yuǎn)程光線(xiàn)調(diào)節(jié)通過(guò)內(nèi)置環(huán)境光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外光線(xiàn)條件，將數(shù)據(jù)反饋至中央處理器。用戶(hù)可根據(jù)使用需求、使用APP調(diào)整光線(xiàn)強(qiáng)度。系統(tǒng)處理器接收到用戶(hù)設(shè)置的光線(xiàn)強(qiáng)度信號(hào)后，自動(dòng)調(diào)整對(duì)應(yīng)照明器具至指定亮度。該系統(tǒng)包括光線(xiàn)感應(yīng)、光線(xiàn)中央處理、命令執(zhí)行3個(gè)核心功能。能源消耗監(jiān)控功能基于各照明點(diǎn)安裝的能耗監(jiān)測(cè)傳感器，用傳感器收集燈具能源使用數(shù)據(jù)，將信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)。系統(tǒng)匯總分析信息數(shù)據(jù)，生成能源消耗簡(jiǎn)報(bào)，幫助用戶(hù)監(jiān)控能源使用情況。能源消耗監(jiān)控模塊的主要功能包括能耗數(shù)據(jù)采集、云端數(shù)據(jù)同步處理、用戶(hù)交互反饋3項(xiàng)基本功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)照明設(shè)備性能數(shù)據(jù)能幫助系統(tǒng)預(yù)測(cè)設(shè)備故障、處理設(shè)備故障。系統(tǒng)可利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)和識(shí)別潛在的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備異常或性能下降，立即向用戶(hù)發(fā)送警告信息，提供故障處理預(yù)案，如果用戶(hù)提前有相關(guān)設(shè)置，則會(huì)智能化調(diào)度維修與處理功能。故障預(yù)警與處理模塊包括故障檢測(cè)與預(yù)警、遠(yuǎn)程故障診斷、智能化故障處理3個(gè)主要功能。

2 智能照明控制系統(tǒng)APP程序?qū)崿F(xiàn)

2.1 移動(dòng)端APP開(kāi)發(fā)

本研究采用支持迭代開(kāi)發(fā)和持續(xù)集成的敏捷開(kāi)發(fā)模式，分析了功能需求和技術(shù)規(guī)格。UI組件設(shè)計(jì)遵循了Android和iOS平臺(tái)的設(shè)計(jì)指南，提升不同分辨率屏幕的適配性。前端技術(shù)主要使用React Native框架，系統(tǒng)定義了send Command To Light函數(shù)，將命令封裝為JSON消息并發(fā)布到MQTT主題上，根據(jù)燈具唯一標(biāo)識(shí)符確保命令到設(shè)備的傳輸準(zhǔn)確度[4]。移動(dòng)端操作界面如圖2所示。

圖2 移動(dòng)端APP界面圖

2.2 中央處理器功能實(shí)現(xiàn)

中央處理器的開(kāi)發(fā)選擇ARM Cortex微控制器，該控制器具有較強(qiáng)的計(jì)算能力、內(nèi)存資源和網(wǎng)絡(luò)接口，支持高并發(fā)的數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制任務(wù)。中央處理器固件使用C++語(yǔ)言編程，構(gòu)建實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）環(huán)境，提供任務(wù)調(diào)度、時(shí)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(wú)限循環(huán)函數(shù)，不斷檢查用戶(hù)命令和傳感器更新，利用RTOS的任務(wù)調(diào)度機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理，以響應(yīng)外部事件和內(nèi)部狀態(tài)變化。Process Command函數(shù)負(fù)責(zé)解析和執(zhí)行來(lái)自用戶(hù)的開(kāi)關(guān)燈光和調(diào)節(jié)亮度等操作命令，執(zhí)行后通過(guò)Update Cloud Status函數(shù)更新云端服務(wù)器上的狀態(tài)信息。Update Light Status函數(shù)負(fù)責(zé)根據(jù)傳感器收集的環(huán)境數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整照明設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)環(huán)境亮度和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈光。中央處理器處理功能的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 中央處理器處理功能

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

為測(cè)試系統(tǒng)性能，采集了不同使用環(huán)境下照明設(shè)備的5 012條數(shù)據(jù)樣本，處理前的原數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)樣本格式

數(shù)據(jù)預(yù)處理同步了傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間并進(jìn)行了數(shù)據(jù)清洗，移除了明顯異常值，將燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)編碼為“開(kāi)”為1、“關(guān)”為0，將燈具調(diào)光參數(shù)按照實(shí)際調(diào)光比例做歸一化處理。為確保所有數(shù)據(jù)均顯示了照明設(shè)備性能，篩出開(kāi)關(guān)狀態(tài)編碼為0的數(shù)據(jù)，只用作遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制測(cè)試中的開(kāi)燈測(cè)試，將剩余開(kāi)燈數(shù)據(jù)用于其他測(cè)試。

3.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試圍繞系統(tǒng)四大核心功能，即遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制、遠(yuǎn)程光線(xiàn)調(diào)節(jié)、能源消耗監(jiān)控、故障預(yù)警與處理設(shè)計(jì)功能，分別測(cè)試遠(yuǎn)程控制響應(yīng)時(shí)間、光線(xiàn)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性、能源消耗優(yōu)化率和故障預(yù)警準(zhǔn)確率。結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果表

由表2可知，系統(tǒng)核心功能基本實(shí)現(xiàn)，能夠有效執(zhí)行遠(yuǎn)程控制，具有較好的光線(xiàn)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性和能源消耗監(jiān)控能力。故障預(yù)警系統(tǒng)表現(xiàn)出較高準(zhǔn)確率，系統(tǒng)可靠性較高，適用于智能家居及辦公環(huán)境。

4 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是將系統(tǒng)控制功能由硬件控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛删W(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，技術(shù)人員只需要使用手機(jī)移動(dòng)端APP便能宏觀控制整個(gè)照明系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)操作與運(yùn)維的便捷性。本研究設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)，測(cè)試效果表明系統(tǒng)提升了用戶(hù)操作的便捷性，增強(qiáng)了后端處理的可擴(kuò)展性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用讓本系統(tǒng)具備了設(shè)備能耗報(bào)告等大數(shù)據(jù)分析功能，幫助用戶(hù)管理設(shè)備能源消耗，擴(kuò)展了系統(tǒng)功能。