智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)的原理及設計

潘秀玉 孟瑜 李歡 王亞杰

摘要：智能照明系統(tǒng)是由多種傳感器結合的智能化家居控制系統(tǒng)方式，可判斷該家庭區(qū)域對照明系統(tǒng)的實用需求，降低不必要的能源浪費。智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)是通過編程控制人體感應模塊，并結合光照檢測模塊實現(xiàn)“人走燈滅”“窗簾聯(lián)動”的效果，再結合多種業(yè)務邏輯、生活場景多維度降低生活中非必要性的照明能源浪費，進而達到節(jié)約能源設計目標。

關鍵詞：智能家居;節(jié)能照明;智能照明控制;多傳感器技術

一、節(jié)能照明控制系統(tǒng)優(yōu)勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，節(jié)能照明控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)階段研究的新熱點。在智能家居組成單元中，較為流行且具有突出性優(yōu)勢-“便捷性”的部分就是智能照明控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的照明方式作用較為單一，在現(xiàn)今社會生活水平提升、人們擁有更高生活追求的背景下，逐漸向更加人性化、節(jié)能環(huán)保和安全的智能家居照明控制系統(tǒng)轉變。與普通的照明控制系統(tǒng)相比較，智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)能減排上的影響比較明顯。因此，我們現(xiàn)在需要一種功能多樣、操作安全、成本低廉、管理便捷、安裝簡潔，并且具有節(jié)能化、人性化以及環(huán)?；卣鞯闹悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)。

智能燈光控制器能夠通過準確測算出在特定空間中，相應時段的照明條件，通過自動或手動調節(jié)照明的亮度，在最大限度上實現(xiàn)了有效節(jié)能的訴求。這些智能的調節(jié)，將會合理使用室內外自然光資源，把照明量調節(jié)到合理的數(shù)值，從而既保證照明充足，又實現(xiàn)了節(jié)能保護。

二、節(jié)能照明控制系統(tǒng)原理

智能照明控制系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)代的微電子技術、傳感器技術及網(wǎng)絡技術、根據(jù)用戶設定需求和外部環(huán)境、實現(xiàn)遠程控制的一種照明系統(tǒng)。根據(jù)設計方案可以分成開環(huán)控制，閉環(huán)控制和緊急照明控制系統(tǒng)。

（一）開環(huán)控制

1.定時控制

可以手動操作定時器，控制照明開關以及時間長短。計時結束后自動關閉。同時應用超聲波測距感應器，可以做到人走燈滅，達到節(jié)約能源的目的。

2.區(qū)域場景控制

在智能照明控制系統(tǒng)中，電路電平通常是按照實際使用條件以及其他原因進行預編程的。照明裝置可以獨立布置，也可以沿線路布置。各種電路或器件都能夠產(chǎn)生不同的光度等級。這種光度等級能夠保存為“場景”，看起來是房間或地區(qū)的完整外表。只要將情景設定好，使用在墻上的控制面板或遙控器就能夠很簡單地點亮情景，同時也能夠使用定時器、光學感應器或活動區(qū)域檢測器自行地點亮情景。當某個新的情景被選定時，亮度會以預設的速度變化。區(qū)域場景控制可進行各種燈光效果，以營造視覺觀感。

（二）閉環(huán)控制

為能充分利用自然光，探測器通過測量室內光照系數(shù)計算可以得出每一個光點的水平照度，并針對不同的水平光照產(chǎn)生了相應的光度調節(jié)燈，室外自然光作為外部日照因素，根據(jù)光照的變化始終保持自由設定值。

（三）緊急照明控制系統(tǒng)

緊急照明系統(tǒng)控制系統(tǒng)，是指智能燈光控制器在某個地方進行對應急照明系統(tǒng)的監(jiān)控。在正常狀況下，自動調節(jié)器能夠調節(jié)區(qū)域表面的燈光和控制，它和調節(jié)正常工作中的照明設備的方式一致。在緊急情況下，可以自行放棄對各區(qū)域內進行應急工作的路燈的調光控制，在事故狀況下的應急照明可達百分之一百。

三、智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)關鍵技術

智能照明控制技術主要由控制技術，傳感器技術，無線數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡通信技術構成，涉及的關鍵問題為智能控制建模和多傳感器的合理設計，智能家居照明系統(tǒng)將涉及多種傳感器技術，主要涵蓋內容如下：

（一）人體探測器

主要組成部分為熱電元件、超聲波傳感器、移動探測器、電流-電壓變換器，熱電元件檢測配合超聲波傳感器、動作傳感器感知人體的存在或運動，電流-電壓傳感器將熱傳導元件輸出的電流信號轉換成電壓信號。然后電壓波形分析就會輸出檢測信號。

（二）光照度傳感器

通過光照強度自動檢測系統(tǒng)來設定當前的光線狀態(tài)，也可以合理的調節(jié)光強的范圍。

同時，利用通信技術等，構建出一個無線控制系統(tǒng)，通過運行預先設定的節(jié)能控制程序，讓該系統(tǒng)智能判斷環(huán)境中人們對光照明的實際需求，未來還可以增加語音智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的智能化照明控制。

四、智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)基本結構

智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)是通過多種傳感器在家庭生活空間內的合理設計，實現(xiàn)動態(tài)感知生活照明的使用需求，規(guī)避非必要的照明能源消耗。其基本結構如下所述：通過人體傳感器確認區(qū)域內人員的存在，避免不必要的能源消耗，通過照度傳感器+人體傳感器+可調節(jié)照明系統(tǒng)，在保持舒適的照明使用同時，有效調節(jié)房間內照明亮度的動態(tài)調節(jié)，實現(xiàn)非最大化照明能源使用。通過人體傳感器與生活空間場景、生活空間區(qū)域規(guī)劃相結合，合理控制區(qū)域照明需求，降低可控區(qū)域非必要照明的能源消耗。總體概括大約分為控制面板、人體感應模塊、光照檢測模塊這三個模塊。

圖1為智能照明控制系統(tǒng)數(shù)碼顯示器電路，控制面板由steam32單片機（精英版）以及模數(shù)轉換芯片構成。人體感應模塊為超聲波測距感應器。

光檢測模塊是運算放大器和感光二極管組成，當連接光二極管的開端和盡頭，電流與光按比例計算成正比，因為電流很小，所以被運算放大器放大后，再通過A/D變換為輸入電壓。模擬-數(shù)字轉換芯片利用ADC0831接收運算放大器處理的光照度的檢測值，然后傳送到MCU進行數(shù)據(jù)處理。它將被一個單片微計算機控制，在LED顯示屏上顯示電壓對應的亮度，控制8個發(fā)光二極管的開關。輸入回路由控制面板組成，控制命令包括切換場景和休假模式。電源供應電路主要是將AC電源供應轉換為控制器、每個芯片的工作電源供應和基準電壓。顯示電路完成時間、場景、季節(jié)和其他功能。輸出電路由固態(tài)繼電器或調光器和“燈光”電路組成，以完成日光燈和白熾燈的照明。目前，PWM dimming技術被用于實現(xiàn)燈盞的照明。與此同時，通過加入人體感應模塊，來實現(xiàn)“人走燈滅”的智能控制功能。

智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)基于以上相關技術原理以及“照度傳感器+人體傳感器+可調節(jié)照明系統(tǒng)”結構可實現(xiàn)調光、模擬光環(huán)境、與窗簾聯(lián)動控制等功能。這些功能不但可借助對光環(huán)境的合理調控而達到自主完成，還同時具備了通信和可擴展性的功能。

五、智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)的應用前景

智能照明控制系統(tǒng)可以讓照明系統(tǒng)完全自動運行。此系統(tǒng)可以預設一些“狀態(tài)”，這些狀態(tài)會隨著時間的推移自動切換。例如，該系統(tǒng)以由紅外線探測器與傳感器相結合的方式，來判斷照明系統(tǒng)區(qū)域范圍，是否有人存在進而判斷是否關閉該照明系統(tǒng)，起到節(jié)約能源的作用。并且，利用通信技術，構建出一個無線控制系統(tǒng)，通過運行預先編寫的程序，讓該系統(tǒng)達到“人走燈滅”的效果。系統(tǒng)在控制燈熄滅時，會自動延長時間，當人離開達到一定時限，系統(tǒng)自動啟動關閉功能，起到節(jié)能效果。通過上述相關照明節(jié)能的組合手段，實現(xiàn)規(guī)模效應后，將極大提升照明系統(tǒng)的智能節(jié)能目標，從而將國家對節(jié)約能源的長期目標提供切實可行的解決方案。

六、結語

使用節(jié)能型燈光控制系統(tǒng)后，能夠對燈具產(chǎn)品實現(xiàn)更加準確的管理和合理的調控，進一步提升燈具控制系統(tǒng)的水平。智能家居的節(jié)能照明管理系統(tǒng)還將配有更先進的管理設備，在管理過程中，該軟件不但能夠對相應的設備參數(shù)和操作數(shù)據(jù)進行管理，而且還能夠給使用者提供更多的參考數(shù)據(jù)。同時節(jié)電照明管理系統(tǒng)還可以預測分析，如照明系統(tǒng)是否具有短路故障的危險性，不僅減少了重大安全事故的發(fā)生率，而且節(jié)省了有效時間，降低了維護和維修的難度。

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論文須注明：本論文得到長春工程學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“智能家居節(jié)能照明系統(tǒng)”資助，項目編號 S202111437074。

作者簡介：

潘秀玉（2002-），女，漢族，吉林長春，長春工程學院能源動力工程學院，建筑電氣與智能化專業(yè)本科生。

李歡（1999-），男，漢族，吉林長春，長春工程學院電氣與信息工程學院，電氣工程及其自動化專業(yè)本科生。

孟瑜（1983-），女（漢族），吉林長春，講師，博士研究生，主要研究方向：從事光學、建筑電氣與智能化研究工作。