绿色建筑智能照明控制系统研究综述＊

孙启凯，汪明，张宝瑞，谢浩田

(山东省智能建筑技术重点实验室山东建筑大学信息与电气工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

19世纪80年代，用电加热灯丝发出可见光的白炽灯横空出世，人类进入了电气照明时代，电光源照亮了无数个需要光亮的空间。1959年，卤素灯的发明解决了白炽灯灯泡发黑的问题，光源寿命和效率都有了提升。三基色荧光灯的光效更高、显色性更好，紧凑型荧光灯逐步取代了传统的白炽灯。随着绿色建筑逐渐进入人们的视野，节能高效的LED 照明产品得到普遍推广，打破常规电照明观念的光导照明系统也开始得到初步应用，照明光源的质量和效率得到进一步提升。

照明光源发展进步的同时，照明控制系统也在升级更新。传统照明系统缺乏对服务环境的全面感知，难以很好地满足绿色建筑对照明系统灯光分区控制、智能照明控制的节能环保要求，同时也没有考虑人员舒适性的需求。运用各种传感器检测环境参数、利用各种数字通信方式组网通讯、采用设计有智能算法的先进控制器的智能照明控制系统在绿色建筑中逐渐展现传统照明控制系统无法比拟的优势。

1 智能照明控制系统概述

智能照明系统在传统照明系统的基础上，结合计算机技术、物联网技术和智能控制等先进技术进行改造升级，使得照明系统的控制和管理更加便捷，可以创造满足人的个性需求或使人眼的光感觉处于舒适区间的光环境，有效减少需求外的电能消耗，提高照明系统运行效率，满足节约环保的要求。

智能照明系统之所以智能，主要在于其控制系统，合适的控制系统使得建筑照明系统能够按需工作，智能人性化且节能。除了选用高效光源外，智能照明系统主要从控制系统改进方向出发进行设计，其改进重点体现在：设计使用智能控制器、提高自然光利用率、通过传感方式将人作为输入信号、考虑人的使用习惯和考虑人体舒适度、对身体健康的影响等方面，因此，本文围绕智能照明系统的控制系统改进，按图1所示的结构展开综述。

图1 控制系统改进展开图

2 智能照明控制关键技术

2.1 设计使用智能控制器

仅依靠简单开关或固定的时间表等去实现照明系统的开关控制已经远远不能满足人们对照明系统的智能和节能的需求，许多科研人员开始设计基于传感器和智能算法的、以单片机或微型电脑为核心的智能控制器，已应用于照明系统的控制。Arduino就是一种常用的微控制器，因其具有简便的编程环境IDE 和丰富的I/O 接口且价格低廉，深受开发者的欢迎，在智能照明系统设计中有着广泛的应用。

Li等采用Arduino 作为主控制器，结合红外电感式传感器和光传感器，以WiFi 网络为通讯方式，实现办公照明自动延时关闭控制和调光功能。Akinwole等设计了基于Arduino 微控制器的自动照明控制系统，使用LDR 光敏电阻传感器来感知照明水平，采用闭环控制系统自动操作照明系统。Mariappan 等提出一种基于Arduino 的照明互联网（IoL）网关，使照明系统可以连接到网络，并且可以从集中式系统或云端进行监控和控制。

这些智能照明系统所用的微控制器的优缺点对比如表1所示。

表1 微控制器优缺点对比

2.2 传感器实现智能感知

自然光是免费的优质光源，不需要考虑采光的成本和污染问题，并且自然光的频率是在时刻变化的，相较于频率固定的人工光源，人在自然光环境下更不易产生疲劳感。因此，无论是在设计智能照明控制系统时，还是在建筑设计初期，都应该考虑充分利用自然光照明。有关这方面的研究都会涉及检测外界光环境，控制上主要从两个大方向出发，一是通过控制系统调节室内人工光源，二是将照明系统与遮阳系统中的遮阳棚、窗帘、百叶窗等联动。

Seyedolhosseini 等将日光照度用作神经网络的偏置值，使用神经网络来分析确定每个灯具的输出通量以进行区域照明控制。Wang综合考虑光照度和光照均匀性，使用基于梯度下降的智能照明控制算法，使用户在不同场景下对均匀性的满意度接近1，对照度的满意度也能满足需求。Chiesa 等以树莓派为核心设计了结合遮阳系统控制自然和人造光的平衡的一套智能照明控制系统。Sun 和Yu提出了一种基于分布式多智能体框架的室内智能照明控制方法，根据占用情况和室内外光环境对灯具和百叶窗进行控制。

照明需求是因人的存在而产生的，因此可以通过各种传感方式获取建筑空间内人的动作、人数和位置等信息作为控制器的输入信号，优化控制以达到按需照明、节约能源的目的。

在检测人的动作方面，Feng 等设计的智能照明控制系统可以通过热释电红外传感器检测是否有人路过来控制LED 灯亮灭。Mahbub 等以设计和实现一个能够感知人体存在的智能照明系统为目标，开发了基于物联网的实时监测智能照明系统。Hajjaj等设计通过使用传感设备检测办公桌的占用情况，寻找智能照明系统的最佳模型以节省能源。

在检测人数方面，查成源等采用漫反射光电传感器实现对室内人数的测量，并根据光敏传感器获取的室内光照强度进行智能照明控制，不仅可以实现人来自动开灯、人走自动关灯的控制，而且可以根据室内人数自动开启对应数量的灯光。

检测人员位置方面，Luo 等通过优化的复杂环境下电磁波在自由空间的传输模型获得了人员的位置分布，以自动开启或关闭相应的灯光，其系统错误率低于2%，且能够将室内照明的能效提高至少15%。陈寒梅等基于光纤传感网络结合封闭体人员定位算法获取室内人员实时定位，通过对照明需求区域的局部照明调节，既保证照明质量又节约用电。

本文所综述到的智能照明系统应用的传感方式如表2所示。

表2 传感方式及使用目的

2.3 以人为本的控制策略

控制系统的改进应该将使用者的行为习惯考虑在内，Kiran 等对家庭照明的研究表明，居民家中看似浪费的照明，可能发挥着除照明外的特殊作用，比如避免视觉或审美上的不适、让家更有吸引力、让外面的人受益、增加安全感等。因此，如果我们仅仅从节能角度出发而选择关掉这些照明，显然是不智能的。Chen 等的研究表明考虑居住者行为习惯的智能照明控制系统的节能范围可达到43%-71%。Gilani等对私人办公室照明能耗的研究表明，手动控制系统的照明用电量较占用开启-空闲关闭的自动控制减少了七成，他们认为监测人员与建筑的交互情况以了解人员的使用习惯可以为照明系统节能提供一条新思路。

人员如果长时间处在不符合人眼舒适特性的光环境下会产生视觉疲劳，可能会影响其视力健康和行动效率，而在进行照明控制系统智能化设计时，以往的很多研究都存在偏重于节能而忽略照明系统的服务对象——“人”的舒适度和健康水平的问题，一些研究者对此问题进行了补充设计。

以人为本的照明（HCL）是智能照明系统设计的一个主要焦点，旨在为智能建筑提供节能和令人产生和保持积极情绪的照明。Yang 等使用单片机通过无线通信技术进行照明控制，对家庭照明进行强度、色彩的多种搭配设置，满足人们在不同照明模式下对光照度的要求。Byun 和Shin提出了一种考虑住户满意度的节能照明控制系统，该系统结合空间特点和住户行为模式，通过控制照明控制参数，兼顾提高了能源效率和住户满意度，可减少高达43%的能源消耗。

此外，也有人关注如何减少照明系统的电磁辐射带来的问题。Briushinin 等设计的智能照明系统通过对房间不同区域照度值数据进行比较以确定照明元件上电压的最佳值，不仅为工作人员的眼睛提供了舒适健康的光环境，而且可至少节约15%的电能。

3 智能照明控制系统展望

在未来，智能照明控制系统①可以很大程度上实现照明按需供应，采用分布式控制器，实现对照明光源精确到盏的开关和亮度控制；②可以满足使用者个性化控制的需求，人员可以通过智能手机等方式，随时随地按自身需求控制照明光源；③可以智能计算并推荐应设置的控制值，并可以适当智能执行控制，避免用户盲目设置和忘记关闭带来的电能浪费；④将考虑光导照明系统中存在的不满足人员舒适和健康的问题设计相应的智能控制；⑤会逐渐发展为拥有系统智慧的智慧照明系统，能根据实际情况自行决策得出绿色节能角度可行的、满足人员舒适和健康需求的、能使人的主观意愿认同的照明控制策略。

4 结束语

综合近几年的研究成果，不难发现，现在的智能照明控制系统正在朝着智能化、人性化的方向发展，具备以下几大特点：①现场控制器使用智能控制器，多选用Arduino、树莓派等成本较低的单片机、微型电脑；②将自然光与室内电光源结合使用，提高自然光的利用率，减少自然光充沛时不必要的电光源能耗；③人们对照明控制的需求更加精细化，智能照明控制系统更加重视人的各种需求和使用习惯、人体舒适度和健康水平。

未来的智能照明系统会在逐渐走向“智慧”的同时，为人们提供安全可靠、绿色节能、舒适健康的建筑照明环境。