建筑智能化照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王伶燕

浙江中筑啟創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江 杭州 311113

智能化照明系統(tǒng)不僅可以提高照明系統(tǒng)性能，同時(shí)也有助于改善照明系統(tǒng)運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、規(guī)范化管理照明系統(tǒng)的目標(biāo)。智能建筑中智能照明系統(tǒng)需要智能遠(yuǎn)程控制的支持，進(jìn)一步提高照明系統(tǒng)科技化水平，充分融合智能化建筑物體系與節(jié)能理念，優(yōu)化設(shè)計(jì)照明控制系統(tǒng)，在達(dá)成節(jié)約電能的同時(shí)為我國的建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支持。

1 技術(shù)背景

作為科學(xué)技術(shù)結(jié)晶的建筑智能化，其是各種高新科技與建筑藝術(shù)的結(jié)合，充分利用各種信息化技術(shù)可以帶給建筑物使用者不一樣的感受。智能建筑以現(xiàn)代建筑為載體，依靠系統(tǒng)集成方式有機(jī)結(jié)合建筑藝術(shù)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備，優(yōu)化組合建筑物與信息資源，可以為建筑物使用者提供相應(yīng)的信息化服務(wù)，滿足社會(huì)需要。智能建筑具有靈活、便利、舒適、高效與安全的特征[1]。當(dāng)前智能建筑所用照明系統(tǒng)大多只有熱感應(yīng)、光控與聲控能力，不具備遠(yuǎn)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(shè)計(jì)照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

2 智能建筑物照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 智能控制，提升管理

智能照明系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的照明需求，支持多種形式的控制方式。智能照明遠(yuǎn)程系統(tǒng)具有延時(shí)控制、手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制、場(chǎng)景控制、智能調(diào)光等功能。多樣化的功能可以使不同場(chǎng)景、不同時(shí)間、不同位置的照明系統(tǒng)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(jìn)行開關(guān)，而智能照明控制系統(tǒng)可使傳統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)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(shí)也能夠?qū)怯畹倪\(yùn)營和維護(hù)成本有所降低。

2.3 按需照明，降低能耗

智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)不同日期和時(shí)間，按照各功能運(yùn)行狀況提前設(shè)置光照度，由系統(tǒng)對(duì)開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制。在此系統(tǒng)中，應(yīng)用較少的能耗就可提供較為舒適的照明環(huán)境，對(duì)照明亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，按照居住者的實(shí)際需要進(jìn)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(fèi)情況，依據(jù)照明使用規(guī)則啟動(dòng)未使用的照明場(chǎng)景，獲得理想照明效果，并可降低對(duì)電能的消耗。

2.4 保護(hù)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(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能，可以使燈具因?yàn)殡妷哼^高而損壞的情況得以避免。同時(shí)，燈具的使用壽命得以延長，會(huì)減少更換燈具的工作量，這也會(huì)在一定程度上使照明系統(tǒng)的運(yùn)行成本降低。

3 智能建筑物照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以智能化、現(xiàn)代化為特點(diǎn)的智能照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成十分復(fù)雜，包括控制中心、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為照明遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)，是由智能傳感器、遠(yuǎn)程控制器等設(shè)備組成的[2]。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，使用性能出眾的控制芯片，如STC89C52單片機(jī)，用于保障中短距離的通信通暢性。為滿足遠(yuǎn)距離設(shè)備管控，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)候可以嵌入無線通信網(wǎng)絡(luò)，依靠nRF24101芯片，憑借該芯片編碼控制程序?qū)崿F(xiàn)各種設(shè)備的管控，為照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供監(jiān)控技術(shù)支持。

在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中控制中心有著整體化管理能力，設(shè)備構(gòu)成為語音播報(bào)設(shè)備、顯示屏與計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要將其同上位機(jī)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(qū)域狀況，并按照反饋得到的各區(qū)域照明情況發(fā)布照明系統(tǒng)管控命令，實(shí)現(xiàn)建筑物燈光的遠(yuǎn)程控制，起到控制燈光、調(diào)節(jié)燈光目的。

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)可以用于電子信號(hào)遠(yuǎn)程控制、照明設(shè)備管理。使用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段完成建筑物各種照明設(shè)備的操控，用合理且科學(xué)的方式達(dá)到帶能節(jié)約目的保障照明系統(tǒng)管理能力。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)建筑物智能照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的時(shí)候需要設(shè)計(jì)人員按照系統(tǒng)的運(yùn)行原理，依靠現(xiàn)代技術(shù)手段提前將照明功能以及系統(tǒng)要求編寫為程序，并輸入到控制程序與芯片，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)和程序操控系統(tǒng)達(dá)到照明系統(tǒng)操控目標(biāo)。照明系統(tǒng)的控制利用光電感應(yīng)、紅外線人體成像、智能檢測(cè)設(shè)備以及智能傳感器等技術(shù)可以實(shí)時(shí)掌握建筑物各區(qū)域照明狀況，對(duì)各種數(shù)據(jù)分析確認(rèn)照明條件與需求，使用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)下發(fā)命令后就能遠(yuǎn)程控制燈具設(shè)備。

（2）軟件運(yùn)行流程

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，建筑物中的照明燈具受到編程程序控制，遠(yuǎn)程控制設(shè)備運(yùn)作流程為：初始化芯片后獲得上位機(jī)發(fā)布的命令，系統(tǒng)按照上位機(jī)命令執(zhí)行工作開始使用傳感器對(duì)周圍環(huán)境信息采集，根據(jù)需求打開、熄滅或是調(diào)節(jié)燈具亮度。初始化芯片以后可以隨時(shí)使用遠(yuǎn)程終端登錄程序查看上位機(jī)的命令程序執(zhí)行進(jìn)度[3]。在上位機(jī)命令下達(dá)之后采集下位機(jī)的各種檢測(cè)設(shè)備與傳感器信息，各種數(shù)據(jù)信息通過電子信號(hào)的方式傳輸給上位機(jī)。使用傳感器對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，完成系統(tǒng)數(shù)值的設(shè)定以后就可以掌握建筑物當(dāng)前的環(huán)境情況。在完成信息資源的整合之后程序根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)程序發(fā)出相應(yīng)的控制命令，將智能建筑中的燈具打開并調(diào)節(jié)燈具的亮度，達(dá)到照明系統(tǒng)控制目的。

比如在程序操控?zé)艟唛_燈之后，單片機(jī)同開燈燈具的電路連通，此時(shí)控制中心顯示屏就會(huì)完整的顯示開燈燈具線路以及程序執(zhí)行進(jìn)度，完整記錄燈具的啟動(dòng)時(shí)間、亮燈時(shí)長，甚至是燈具的能耗、亮度信息。為保障數(shù)據(jù)的完整記錄，程序能夠按照照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的需求進(jìn)行控制信息的完整記錄[4]。

（3）調(diào)試軟件程序

設(shè)計(jì)完軟件之后可以使用系統(tǒng)操作屏進(jìn)行軟件設(shè)置。系統(tǒng)操控屏共有三個(gè)按鍵，分別是熱釋電傳感器、光電傳感器與上位機(jī)信號(hào)。在單片機(jī)的電路連通之后，就能實(shí)時(shí)讀取芯片信息，并對(duì)燈具的操作命令進(jìn)行解析。之后按照程序要求進(jìn)行程序的整體化管理[5]。上位機(jī)下發(fā)燈具操控指令以后，信號(hào)立刻傳送到指定燈具并執(zhí)行命令。使用系統(tǒng)操作屏可以隨時(shí)掌握燈具情況，如果下發(fā)命令程序無問題，表明軟件設(shè)計(jì)合理具有可操作的能力。在設(shè)備接收到上位機(jī)命令但卻沒有執(zhí)行程序，表明程序編寫有問題需要重新調(diào)整，一直到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠執(zhí)行上位機(jī)命令才可以停止程序更改。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)電路

在建筑智能化照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中電路是非常重要的構(gòu)成，包括遠(yuǎn)程信息接收電路、顯示電路、單片機(jī)控制電路，不同電路功能不同。遠(yuǎn)程信息接收電路功能集中于連接紅外傳感器、監(jiān)控設(shè)備與檢測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控與監(jiān)測(cè)。顯示電路功能非常多，包括計(jì)算機(jī)設(shè)備電路、語音播報(bào)設(shè)備、信號(hào)接收設(shè)備以及液晶顯示設(shè)備的電路連接。單片機(jī)控制電路被用于傳感器、照明控制設(shè)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(hào)轉(zhuǎn)換器、光敏元件組成的。在產(chǎn)生光照之后，光生載流子就能參與到導(dǎo)電過程，此時(shí)需要將電子與空穴分別移動(dòng)到電源正負(fù)極，從而減少光敏電阻的阻值。使用梳狀結(jié)構(gòu)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(nèi)燈具、半導(dǎo)體傳感器、STC89C52單片機(jī)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(nèi)的光照狀況。電路連通之后就可以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備參數(shù)與啟閉的控制，達(dá)成遠(yuǎn)程照明系統(tǒng)的智能化控制目的。產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)之后，依靠環(huán)境溫差實(shí)現(xiàn)物體的探測(cè)，是照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的必要性條件。設(shè)計(jì)電路的時(shí)候應(yīng)用熱釋電效應(yīng)，在鈦酸鋇晶體表面布設(shè)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(shí)電極會(huì)有電壓差的出現(xiàn)，獲得電壓輸出信號(hào)。其構(gòu)成包括紅外感應(yīng)源、EMI電容、偏置電阻、光學(xué)濾鏡以及場(chǎng)效應(yīng)管。

傳感器電路包括光耦保護(hù)電路模塊與時(shí)鐘電路模塊兩個(gè)部分。①光耦保護(hù)電路模塊為DC5V的單片機(jī)電壓，照明電路的工作電壓是AC220V。電路設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榉乐箚纹瑱C(jī)受到照明電路的影響，應(yīng)用光耦繼電器設(shè)備負(fù)責(zé)電信號(hào)的傳輸。本次決定使用srd-05vdc-sl-c型號(hào)設(shè)備。該設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候能夠按照單片機(jī)信號(hào)對(duì)燈具當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，并調(diào)整電路開關(guān)，單片機(jī)與照明電路的工作電路彼此不會(huì)受到影響，具有獨(dú)立的特征。②使用DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)鐘電路模塊，可以讓電路獲得相應(yīng)的拓展功能。如建筑物突然斷電可以靠著系統(tǒng)內(nèi)的備用電池繼續(xù)維持芯片運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間的記錄。為防止照明設(shè)備斷電造成不利影響，可以在系統(tǒng)控制程序中插入時(shí)鐘芯片，負(fù)責(zé)照明設(shè)備各種參數(shù)的記錄，包括耗電量、啟閉時(shí)間，所有數(shù)據(jù)最終都會(huì)被存放于芯片內(nèi)的存儲(chǔ)空間。

（2）設(shè)計(jì)硬件設(shè)備

以LED燈具控制器、智能照明控制設(shè)備、CPN智能節(jié)電等設(shè)備組成建筑智能照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

①LED燈具控制器使用調(diào)光設(shè)備控制電路以及調(diào)光技術(shù)進(jìn)行電阻值調(diào)節(jié)。在完成控制線路的設(shè)計(jì)以及恒定電源的安裝之后，使用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)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(tǒng)就會(huì)向各個(gè)智能節(jié)電發(fā)布命令，構(gòu)建光照模型，模型在不同的智能節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建相應(yīng)場(chǎng)景，用于室內(nèi)外照明狀況的分析，使用場(chǎng)景化技術(shù)與模塊控制技術(shù)操控照明度?？刂乒?jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)回路照明情況，取得功率、電壓、電流等信息。使用控制模塊轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式，將其變成通信信號(hào)，信號(hào)可以被展示到控制屏。系統(tǒng)控制模塊智能節(jié)點(diǎn)使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同照明控制器進(jìn)行交互，在獲得控制命令以后就能操控調(diào)光系統(tǒng)。②智能照明控制設(shè)備是由半導(dǎo)體開關(guān)、傳感器、智能處理設(shè)備組成的，擁有對(duì)外通信與照明設(shè)備定時(shí)管理功能。在同智能節(jié)點(diǎn)相互連接誒之后，鏈接照明設(shè)備的端口，完成啟閉與調(diào)光控制。③CPN智能節(jié)點(diǎn)可以同TCP/IP端口鏈接，其構(gòu)成包括數(shù)據(jù)處理、智能存儲(chǔ)、DCU通信單元以及CPN數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)接口可以讓各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)相互交流，連接方式為雙絞線，所以可以完成數(shù)據(jù)計(jì)算拓展。使用CPN智能節(jié)點(diǎn)就可以處理通信單元各種信號(hào)，包括照明設(shè)備開關(guān)、燈具靈活調(diào)節(jié)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(yuǎn)程控制程序操控LED設(shè)備與燈具，還能了解設(shè)備與燈具用電量和系統(tǒng)功率。

（3）設(shè)計(jì)功能模塊

首先是設(shè)計(jì)功能模塊，負(fù)責(zé)用于建筑物所有燈光的控制，可以將照明系統(tǒng)各種信息采集到中央系統(tǒng)，并對(duì)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，為照明系統(tǒng)提供如過壓過載信息、照明系統(tǒng)故障報(bào)警信息，可以讓用戶隨時(shí)掌握照明系統(tǒng)運(yùn)行情況。模塊包括數(shù)據(jù)分析、通信以及光調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析是最重要的部分，可以用于系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的解析，確認(rèn)變量值情況之后明確控制方法。此外還能統(tǒng)計(jì)與計(jì)算系統(tǒng)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(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行連接，使用數(shù)據(jù)幀的辦法達(dá)成系統(tǒng)各單元數(shù)據(jù)交換與共享。光調(diào)節(jié)模塊也很重要，只需要將信息輸入到系統(tǒng)之后，并添加環(huán)境參數(shù)與設(shè)備參數(shù)，模塊就能自動(dòng)創(chuàng)建室內(nèi)光照度與人員分布的模型，系統(tǒng)對(duì)建筑物燈光情況整體分析后可以自行調(diào)節(jié)各路燈光，包括參數(shù)調(diào)節(jié)與開關(guān)控制。

其次是系統(tǒng)功能。系統(tǒng)功能包括時(shí)間控制、系統(tǒng)巡測(cè)、設(shè)備分組、報(bào)警處理、遠(yuǎn)程控制、系統(tǒng)自檢、組網(wǎng)通信。①時(shí)間控制。使用時(shí)間控制的辦法遠(yuǎn)程控制建筑物智能化照明系統(tǒng)，使用定時(shí)控制、分時(shí)控制和預(yù)約控制三種控制形式。系統(tǒng)擁有拓展能力，設(shè)置的時(shí)候使用多樣化實(shí)踐方案，用于系統(tǒng)各個(gè)回路的靈活控制。時(shí)間方面的控制模式包括二次開燈、一周循環(huán)、節(jié)假日、日出日落開的關(guān)燈、以及普通等模式。按照實(shí)際情況用戶選擇相應(yīng)的控制模式與控制方法。明確控制方式之后在照明系統(tǒng)智能控制設(shè)備中輸入信息。②系統(tǒng)巡測(cè)具有選測(cè)、手動(dòng)巡測(cè)以及自動(dòng)巡測(cè)等功能。照明系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候可以采集各種直流模擬量、功率因數(shù)、有功功率、回路電流、三相電路以及繼電器狀態(tài)數(shù)據(jù)。應(yīng)用功率因數(shù)、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(shù)據(jù)，使用8路繼電器完成電子信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)220V、10A交流電路的控制，完成脈沖量與開關(guān)量輸出，可以幫助系統(tǒng)更好的巡測(cè)，系統(tǒng)巡測(cè)的時(shí)候就能提供通信支持。③設(shè)備分組，按照建筑物不同區(qū)域同行線路與分布，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備與照明系統(tǒng)的分組控制，支持遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與各組控制單元連接，掌握各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及開關(guān)燈日志、設(shè)備在線日志、照明系統(tǒng)燈具參數(shù)與狀態(tài)，掌握設(shè)備運(yùn)行問題。除此之外還能查詢了解燈具開關(guān)終止時(shí)間與起始時(shí)間，準(zhǔn)確分析系統(tǒng)的控制情況。④報(bào)警處理。在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常以后，能夠?qū)?bào)警信息及時(shí)發(fā)出，包括燈具短路、過壓過載、配電箱異常開關(guān)、線路停電、晚上熄燈以及白天亮燈。在發(fā)出警報(bào)以后，系統(tǒng)按照實(shí)際情況將報(bào)警信息發(fā)送到用戶終端。因?yàn)橄到y(tǒng)擁有無線通信能力，所以在發(fā)現(xiàn)用戶終端出現(xiàn)故障沒有響應(yīng)能力時(shí)，可以利用控制中心操作面板直接操控服務(wù)器，使用光纖通信或是局域網(wǎng)通信進(jìn)行建筑物燈具控制。⑤遠(yuǎn)程控制，操作人員可以使用計(jì)算機(jī)設(shè)備、平板電腦、智能手機(jī)查詢建筑物各種燈具狀態(tài)，遠(yuǎn)程操作設(shè)備開關(guān)。⑥系統(tǒng)自檢即系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，可以讓工作人員使用遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括用戶登錄、TCP通信連接狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，判斷系統(tǒng)有沒有運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和異常信息。⑦組網(wǎng)通信，使用光纖通信、以太網(wǎng)通信、GPRS無線通信。操作人員隨時(shí)調(diào)整組網(wǎng)模式與通信網(wǎng)絡(luò)操控設(shè)備。

4 結(jié)語

依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)操控建筑物內(nèi)的智能照明系統(tǒng)，高效率、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程操控照明系統(tǒng)。不僅能夠節(jié)省電源，同時(shí)也能更科學(xué)、有效的使用智能設(shè)備，符合建筑物智能照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)管理需要。