物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的辦公樓宇照明節(jié)能用電系統(tǒng)

鄭陽平，景 妮

(承德石油高等?？茖W(xué)校計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的辦公樓宇照明節(jié)能用電系統(tǒng)

鄭陽平，景 妮

(承德石油高等專科學(xué)校計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

依據(jù)現(xiàn)有辦公樓宇照明方式的用電特點，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，充分利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低成本的特點，研究設(shè)計出基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的節(jié)能照明用電系統(tǒng)，有效地避免了辦公樓宇傳統(tǒng)用電的管理落后，能源浪費等缺點，改善辦公樓宇照明用電系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

辦公樓宇，照明用電，節(jié)能，ZigBee，物聯(lián)網(wǎng)

能源的開發(fā)和控制是一個世界性的課題，我國在用電方面正面臨著長期性的電力短缺和緊張局面，隨著《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《節(jié)約用電管理辦法》、《國務(wù)院辦公廳關(guān)于開展資源節(jié)約活動的通知》等相關(guān)政策、法規(guī)的相繼出臺，鼓勵各用電單位采用好的方式加大節(jié)能技術(shù)改造，加大對用電單位相關(guān)考核監(jiān)督力度，共同促進資源節(jié)約型社會的建設(shè)。現(xiàn)階段日常生活中，人們對節(jié)能的重視程度還不夠，我國眾多的辦公樓宇的用電浪費更為突出。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對辦公樓宇照明用電系統(tǒng)進行研究，設(shè)計出節(jié)能環(huán)保的辦公樓宇照明用戶系統(tǒng)，有效地避免了傳統(tǒng)照明用電管理落后，個人意識淡薄造成電力能源浪費等缺點，促進節(jié)約型辦公環(huán)境改進和發(fā)展。

1 辦公樓宇照明現(xiàn)狀與節(jié)能用電的必要性

我國辦公樓宇眾多，基數(shù)也很大，節(jié)能環(huán)保尤為突出，辦公樓宇的照明系統(tǒng)在能源管理中，約占辦公樓宇能耗的25%左右，而且照明是最容易浪費的能源之一，采用先進的技術(shù)，對其進行智能控制和優(yōu)化十分重要。辦公樓宇照明系統(tǒng)主要分為辦公室照明，會議室照明、走廊、樓梯、衛(wèi)生間等。樓宇能耗現(xiàn)狀如下:

1)一組來自國家有關(guān)部門的調(diào)查數(shù)字顯示:我國樓宇年電力消耗總量占全國總消耗量的10%，能源費用超過800億元，尤其在大型公共樓宇中，空調(diào)和照明是最大的兩個“電老虎”。目前一些辦公樓宇，雖然也采用節(jié)能燈等用電設(shè)備，但缺乏智能統(tǒng)一控制管理，造成辦公樓宇耗電日益增加。

2)落后的電力能源分配管理模式，導(dǎo)致樓宇管理者僅從保障人員及設(shè)備的安全角度對電能進行分配和管理，從不著眼于用電設(shè)備的效率和使用成本來進行精益管理;在照明控制方面，比較單一，只有開和關(guān)兩種狀態(tài)。

3)個別人安全節(jié)能意識淡薄，素質(zhì)差異也造成較大程度的用電浪費。像“長明燈”，“24 h計算機”等現(xiàn)象屢見不鮮，比比皆是。

4)樓宇整體節(jié)能，是政府及各企事業(yè)單位“節(jié)能減排”形象工程的首選。樓宇能耗降低必將作為政府及各企事業(yè)單位的形象工程和重點工程予以實施，采用高科技手段對能耗設(shè)備進行節(jié)能控制，包括照明、辦公設(shè)備等，將是樓宇能耗控制的主要途徑。

因此，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，利用先進的科學(xué)技術(shù)研究和設(shè)計辦公樓宇照明控制系統(tǒng)來克服傳統(tǒng)照明控制方法的不足是非常有必要的。

2 應(yīng)用技術(shù)分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其用戶終端延伸和擴展到了任何物品和物品之間，將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)物與物的通信［1］。

2.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是利用蜜蜂與同伴傳遞花粉所在的方位信息的仿生學(xué)原理，開發(fā)出一種無線組網(wǎng)通信技術(shù);它是一種低速無線局域技術(shù)，是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要適用于通信數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率低，分布范圍較小，對數(shù)據(jù)安全有一定要求的，而且成本和功耗非常低，易于安裝的場合;ZigBee采用的標準是2003年5月發(fā)布的IEEE802.15.4，定義了物理層和MAC子層。有較為靈活的工作頻段，2.4 GHz是全球流行和通用的工作頻段，還有868/915 MHz頻段，分別適用于歐洲和美國，2.4 GHz頻段里有16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率達250 kbit/s，868 MHz頻段有一個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率達20 kbit/s，915 MHz頻段有10個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率達40 kbit/s，通訊距離從標準的10～75 m，可以拓展到幾hm、幾km，支持無限擴展和延伸［2］。

3 辦公樓宇照明節(jié)能系統(tǒng)的架構(gòu)

為實現(xiàn)辦公樓宇照明系統(tǒng)的節(jié)能，從會議室照明用電，辦公室照明用電和公共區(qū)域照明用電(走廊、樓梯、衛(wèi)生間等)三個方面入手，優(yōu)化和設(shè)計辦公樓宇智能節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)采用ZigBee自組網(wǎng)的方式，由路由或協(xié)調(diào)節(jié)點、終端節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將會議室照明終端節(jié)點、辦公室照明終端節(jié)點和公共區(qū)域照明終端節(jié)點連成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。通信最大距離75 m可以覆蓋整個辦公樓宇，ZigBee網(wǎng)絡(luò)最大可以擁有256個網(wǎng)絡(luò)終端也滿足整個辦公樓宇照明的需要。基于ZigBee技術(shù)的辦公樓宇節(jié)能用電系統(tǒng)，使用簡單方便，控制靈活，能夠根據(jù)環(huán)境改變對照明用電進行實時監(jiān)控，達到智能控制，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1)控制中心

控制中心為了便于用戶管理和控制辦公樓宇照明用電系統(tǒng)，增加一臺計算機，與協(xié)調(diào)節(jié)點連接，用來監(jiān)控辦公樓宇整個網(wǎng)絡(luò)，可以查看各個終端節(jié)點的工作狀態(tài)，既可以設(shè)置辦公樓宇中各個終端節(jié)點的照明模式，又可以發(fā)送辦公樓宇的控制信號，控制中心通過RS232總線與協(xié)調(diào)節(jié)點連接，協(xié)調(diào)節(jié)點和傳感器節(jié)點之間通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點負責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給協(xié)調(diào)節(jié)點，控制中心通過獲取采集到的相關(guān)信息，實現(xiàn)對辦公樓宇現(xiàn)場照明用電進行的有效控制和管理。

2)會議室照明子系統(tǒng)

會議室照明系統(tǒng)要做到整體規(guī)劃，統(tǒng)一管理控制，安裝多種類型的傳感器的ZigBee節(jié)點。①②③④四個紅外傳感器來判斷進出會議室的人員，并統(tǒng)計會議室的人數(shù)。按照從①到②，或者從③到④的順序，檢測進入會議室的人員，每次感應(yīng)計數(shù)器增加1;按照從②到①，或者從④到③的順序，檢測離開會議室的人員，每次感應(yīng)計數(shù)器減1;⑤號傳感器安裝在主席臺的上方，檢測控制主席臺的光線，還可以根據(jù)是否使用投影來控制會議室的照明模式。⑥⑦⑧⑨⑩○11六個紅外傳感節(jié)點負責(zé)會議室參會人員定位，根據(jù)傳感器采集到的信息，判斷該傳感器附件是否有人，如果有人，送控制中心，打開此區(qū)域的燈光。如果該傳感器附件沒有人，則關(guān)閉該區(qū)域的燈光。當然，會議室實際安裝的紅外傳感器的個數(shù)和位置，必須依據(jù)傳感器的覆蓋范圍及會議室空間的大小來確定。而且組織會議時，盡可能讓參會人員向前排集中而坐，避免會場人員分散而坐。 和 是兩個光感傳感器節(jié)點，負責(zé)光線強度的判斷， 安裝在室內(nèi)， 安裝在室外，根據(jù)兩個節(jié)點采集信息，判斷是否要開啟室內(nèi)燈光。會議室照明用電控制流程如圖2所示。

3)辦公室照明子系統(tǒng)

辦公室照明是辦公樓宇的主體部分，節(jié)能控制比較重要。為了統(tǒng)一管理控制，需要安裝多種類型的傳感器的ZigBee節(jié)點。辦公室一般只有一個門，所以利用○12○13兩個紅外傳感器來判斷進出辦公室的人員，并統(tǒng)計辦公室的人數(shù)。按照從○12到○13，檢測進入辦公室的人員，每次感應(yīng)計數(shù)器增加1;按照從○13到○12，檢測離開辦公室的人員，每次感應(yīng)計數(shù)器減1;如果辦公室沒有人，而且室內(nèi)光線符合開燈條件時，則當辦公室人員離開后延時5分鐘關(guān)閉辦公室照明燈光，以避免頻繁開關(guān)燈具，影響燈具的壽命。○14○15兩個紅外傳感節(jié)點負責(zé)辦公人員的定位，根據(jù)傳感器采集到的信息，判斷辦公人員是在會客區(qū)域，還是在辦公區(qū)域，根據(jù)室內(nèi)光線的強弱，打開或關(guān)閉對應(yīng)區(qū)域的燈具。 和 是兩個光感傳感器節(jié)點，負責(zé)光線強度的判斷，分別安裝在室內(nèi)和室外，根據(jù)兩個節(jié)點采集信息，判斷是否要開啟室內(nèi)燈具。辦公室照明用電控制流程和會議室照明用電控制流程基本相同。為了避免白天辦公室拉上窗簾后一片漆黑的情況，建議將室內(nèi)的傳感器安裝在窗簾拉上能遮住的地方。

4)公共區(qū)域照明子系統(tǒng)

公共區(qū)域照明主要包括走廊、樓梯和衛(wèi)生間的照明用電。均以聲控為主，以光感輔。在走廊、樓梯和衛(wèi)生間均安裝聲音傳感器節(jié)點和光感傳感器節(jié)點，利用光傳感器的亮度檢測進行優(yōu)先控制，然后利用聲控傳感器采集到的信息，決定燈光是否開啟。所有終端節(jié)點通過ZigBee無線連接到協(xié)調(diào)節(jié)點，通過協(xié)調(diào)節(jié)點與控制中心連接，實現(xiàn)控制命令的傳遞。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的辦公樓宇照明節(jié)能用電系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將無線傳感器終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點組成的分布式星型網(wǎng)絡(luò)，對采集到的數(shù)據(jù)信息、進行分析和處理，通過ZigBee將信號無線傳輸?shù)礁鱾€辦公的協(xié)調(diào)器節(jié)點，由協(xié)調(diào)器節(jié)點將信息通過RS232總線傳送到控制中心的計算機上，由控制中心的計算機確定啟動相應(yīng)的照明模式，經(jīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點，到達會議室終端節(jié)點、辦公室終端節(jié)點和公共區(qū)域終端節(jié)點，實現(xiàn)辦公樓宇燈具的開啟、關(guān)閉及亮度控制，達到辦公樓宇照明節(jié)能控制的目的。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的節(jié)能用電系統(tǒng)，在使用上簡單方便，控制靈活，能夠根據(jù)環(huán)境改變對用電設(shè)施實時控制，并最大限度地節(jié)約電能，并能方便地應(yīng)用到各類辦公樓宇。不但節(jié)約了能源，而且也帶來社會經(jīng)濟效益和社會效益。更重要的是ZigBee設(shè)備功耗低、成本較低、工作穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)容量大，并且工作頻段靈活，不易受到干擾，它能夠以兩節(jié)五號電池工作長達6-24月的時間，換取30%左右電量的節(jié)約，值得應(yīng)用和推廣?？梢酝茝V到家居住宅、圖書館、商場等領(lǐng)域，為我國節(jié)能用電方面做出貢獻。

［1］物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［EB/OL］.http://baike.baidu.com，2013.

［2］IEEE802.15.4，Part15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specification for low-rate wireless personal area network［EB/OL］.http://www.zigbee.org，2004.

［3］徐立波，鮑可進.智能節(jié)能用電系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.計算機工程與應(yīng)用，2011(6):55-57，112.

［4］周曉偉，蔡建平，鄭增威，等.基于ZigBee傳感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與科學(xué)，2009(8):150-152，155.

［5］張緒偉，段培永，李連防，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的校園照明控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.信息技術(shù)與信息化，2008(4):90-91，109.

Electrical System for Office Building Lighting Energy Saving Based on the Internet of Things Technology

ZHENG Yang-ping，JING Ni

(Department of Computer and Information Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

Based on the existing office buildings lighting electrical characteristics and the Internet of things technology，the paper makes full use of short distance，low complexity，low power consumption，low rate and low cost of ZigBee wireless sensor network to design the energy saving lighting electricity system，and effectively avoids the traditional power management，energy waste and other shortcomings in office building，which improves the electricity system of office building lighting，and realizes energy saving and environmental protection.

office building;electric lighting;energy saving;ZigBee;the internet of things

TU113.6

B

1008-9446(2014)01-0035-04

承德市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的辦公樓宇照明節(jié)能用電系統(tǒng)的研究):201121147

2013-11-11

鄭陽平(1979-)，男，陜西洛川人，承德石油高等?？茖W(xué)校計算機與信息工程系講師，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)和計算機控制教學(xué)與研究。