基于物联网的智能照明电气控制系统研究

恽亚刚

(江苏联合职业技术学院江阴办学点，江苏 无锡 214433)

0 引言

现如今，物联网技术在各个领域得到广泛应用，除了工业和农业领域以外，还在建筑照明方面有着比较突出的成就。物联网技术具备一定的可靠性、便捷性，为智能照明电气控制系统的建设提供了便捷的条件，让照明电气控制系统不再通过单一设置来实现控制，可以基于全方位不同软件的交互控制融合来实现控制，从而更加灵活地对照明效果加以智能化控制，极大程度上满足人们对智能照明的需求。

1 智能照明电气控制系统

照明电气控制在智能领域是为人们的生产和生活提供便捷的服务。传统照明电气控制主要是通过开关来实现对电路控制，其属于一种强电的控制系统，该系统的设计需要结合具体使用场景中的回路数目、负载功率、类型，不能控制光照的强度，如：对于白炽灯而言，主要是通过变阻器等调压设备对灯具的明暗进行调节，整个操作需要人工完成，自动化水平比较低，逐渐不能满足人们对照明的需求[1]。当前单片机技术的进一步发展，脉宽调制技术逐渐在调光领域得到普及，该技术能够较好地控制灯光的亮度，并在很大程度上提高调光效率。

传统照明电气控制主要是为了满足人们对光照强度的需求，多以开关控制为主，利用开关来对灯具的开闭进行控制，这一控制方式的操作简单，价格低廉，互换性好，其照明控制方式单一，强电控制容易引发安全隐患，特别是在大范围使用状况下时，布线较为复杂，各组控制开关均要配备一条专门的线路，且需要人工控制，不能有效管理大量的照明电气设备，极易由于人为操作不当而造成电能浪费[2]。智能照明电气控制系统是将计算机技术、网络通信技术、自动控制技术等先进技术相融合的产物，具有十分丰富和不断扩展的功能，主要包括：(1)可手动或是自动控制，也可实现多路控制；(2)具有调光模块，能够获得不同的灯光效果；(3)可利用网络或是电脑来实现自动化、智能化管理；(4)多使用弱电驱动灯具，无安全隐患；(5)具有较高的节能灯具光能转化率。

2 基于物联网的智能照明电气控制系统总体设计

2.1 系统构成和基本功能设计

智能照明电气控制系统，主要采用的是物联网的基本架构，即感知层、数据传输层、数据处理的应用层。其中感知层涉及两个方面数据的采集工作，一方面是对照面设备所处环境的光强、温度是否有物体靠近等环境数据进行采集；另一方面是测定人体的一些基本参数，由于受到技术方面的限制，当前只能够检测人体的心率。数据传输层作为照明电气控制系统的传输部分，需结合具体的使用需求来选择合适的通信技术，从而实现数据传输。数据处理的应用层则是围绕灯具的控制开展，通过一定的方式将各个传感器设备、控制单元和主控器进行相连接，从而实现不同单元之间的控制、通信，系统还能够扩展到外部网络，把人体生理参数、照明设备的状态参数、各种环境参数等上传到网络平台，以便用户通过智能设备进行远程控制[3]。

基于物联网的智能照明电气控制系统的功能主要包括：(1)照明功能。所有照明系统都必须具备良好的照明功能，这样才能够运用到生产生活中，不同的应用环境对照度有着不同的要求，所以照明系统需要处于不断变化的过程，能够对照度进行实时有效的调节，从而更好地满足用户对照明的需求；(2)节能功能。面对能源日益紧缺的社会现状，智能照明电气控制系统通过应用先进的技术措施，较好的解决传统照明电气控制中存在的电能浪费问题；(3)生理情绪调节功能。从色彩心理学来看，人的生理情绪与生存环境的颜色存在联系，所以通过利用无线通信技术、传感器技术来对灯光的颜色进行控制，从而实现对人体生理情绪的调节[4]；(4)照明环境氛围的设定和控制。不同环境下用户对灯光的颜色和亮度有着不同的需求，而智能照明电气控制系统就能够满足用户的个性化需求。

2.2 灯光控制器的设计

在日常使用过程中，照明电气控制系统时常会遇到以下问题：因为疏忽忘记关闭照明设备而导致电能浪费；灯光颜色单一，不能对使用环境加以有效的调节与烘托等。针对这些问题，基于物联网的智能照明电气控制系统可以利用灯光控制器来加以有效解决，实现对灯具开闭的自动化、智能化控制，避免了电能的浪费；结合使用环境的光强来合理调节照明灯具的光强，符合在不同使用环境光照强度下用户对光强的需求；对于建筑室内照明而言，可结合室内的温度与人体的心理来对灯光的颜色加以调节，从而提高用户居住的舒适度。

2.3 无线通信方式的选择

在构建智能照明电气控制系统时，需要结合具体的使用需求来选择合适的通讯方式。以下主要对现有的几种无线通信方式进行分析。

2.3.1 蓝牙技术

该技术能够让设备和设备之间实现短距离的无线传输，有效融合了计算机技术和通信技术，让移动终端和固定设备可以在没有电缆、电线作为连接中介的情况下，进行较短距离的通信和控制。早期的蓝牙传输频段为2.4 GHZ ISM，其通信距离非常端，但不能保障数据传输的速度。随着科学技术的不断发展，当前最新的蓝牙技术在传输速度、传输距离上均有了比较大的进步，且在能耗上也得到了很大程度的优化。具体应用到智能照明电气控制中，该技术存在抗干扰能力不足、网络容量小、传输距离比较短等问题，所以对应用场景存在一定的限制[5]。

2.3.2 无线组网通信技术

该技术主要应用目标是智能建筑领域，具备较强的针对性，虽然传输速率不高，但能够满足智能建筑的需求，应用成本也比较低。无线组网通信的传输速率的最大节点数目是232个节点，传输速率是10 Kbps，符合智能照明电气控制中节点数目多的要求。

2.3.3 ZigBee

该技术通常适用于较短的范围内，其通信速率最大为250 Kbps，在协议中，每个Sink节点都可以很好的管控250多个设备终端子节点，还能够通过其上级节点来对Sink节点进行管控，从而构建起包含上万个节点的网络，这就满足了智能照明电气控制系统的应用需求。同时，ZigBee组网具有非常大的网络容量，能够形成比较复杂的网络结构，从而满足不同场景的使用需求。结合不同的网络结构，可将ZigBee组网分为3种结构，其中星形网络具有一个协调器节点与多个终端设备节点，可以完成网络的监控与构建；树形网络看似树枝的形状，通常将网络中最末端的设备称作叶节点，将这些节点和路由器连接在一起，就形成一个树形结构，该结构中能够看到多个全功能设备；网形网络作为系统中的协调器，任何一个全功能设备均能够与这一网络中的其他设备进行通信，有效增强数据传输的可靠性。

2.3.4 WiFi

这是人们日常生活中应用最为频繁的通信技术，用户可利用路由器构建的WiFi网络来获取信息，相较于其他通信手段，WiFi的信号覆盖面积更大，即使是在有墙壁阻隔的室内，也能够实现10～20 m的数据传输；同时，WiFi的传输速度很快，现有的智能移动设备都带有WiFi模块，具有良好的通用性。

2.4 传感器的应用

智能照明电气控制系统需要实现对主照明灯具、背景灯具的管控，这一功能的实现需要根据来自感知层的传感器模块对灯具使用环境与人体生理信息的监控数据。基于此，在设计该系统时，需要合理选择传感器，当前市场上常用的传感器包括：(1)人体红外传感器。用于检测是否有人进入监控范围，能够向主控器传递开关量，从而对灯具的开闭进行自动化控制；(2)光敏传感器。用于对环境的光照强度加以自动化监控，主控器可以结合监控数据来对灯具的光照强度加以合理调节[6]；(3)温度传感器。通过热敏电阻来对环境的温度进行检测，然后由主控器结合环境的具体温度来对灯具的颜色进行调节，从而提高环境的舒适度。

3 智能照明电气控制系统的类型与特点

3.1 智能照明电气控制系统类型

3.1.1 总遥控智能照明电气控制系统

该控制系统包含了若干个智能控制模块，可结合具体的照明需求来加以排列组合，并利用小型处理器来实现单独运行。当主控器发生运行问题，其他控制器依然处于正常运行状态，并不会导致整个控制系统完全瘫痪。该系统具备很强的自控性与稳定性、良好的容纳性，在具体运行过程中，可以与其他终端控制器实现迅速的互联互通，从而显著提高了系统的运行效率。当前，这一智能照明电气控制系统已经在智能家居、基础设备建设等领域得到普及，且获得了良好的成效。

3.1.2 LED智能照明电气控制系统

相较于传统照明系统，该系统中所用灯具的外观样式多种多样，且具有高品质、长期可靠、低碳环保的优势。在新时代背景下，LED智能照明在照明领域中占据主流地位，该系统凭借完善的计算机控制技术构建了总体照明控制体系，能够对多个灯具进行同时控制，且控制范围更大。另外，该控制系统的制作成本比较低，主要适用于公园景观照明、道路建设照明灯领域。

3.1.3 一体化智能照明电气控制系统

该系统是通过对LED智能照明技术进行创新而研发出的新型灯具控制系统。一体化智能灯具可以与电路集成设备和传感器相融合、相感应，还能够与外部环境情况互相影响。在实际应用过程中，若外部环境的颜色、光线及声音发生改变，智能灯具会结合提前设定的运行程序而及时做出相应的改变，对灯光的照度进行合理调节，从而满足使用需求[7]。

3.2 智能照明电气控制系统特点

3.2.1 成本低廉，应用范围广

初期的智能照明电气控制系统的建设成本较高，所以应用范围比较窄。但在物联网时代背景下，高新技术得到全面优化升级，这就大大降低了智能照明电气控制系统的建设成本，进一步简化了系统的安装与操作步骤，同时当前智能照明电气控制系统在安装时更加重视产品的高品质和规范性，从而在很大程度上扩大了系统的应用范围。

3.2.2 光照环境适宜，提高了运行效率

基于物联网的智能照明电气控制系统，能够通过智能识别技术来为用户提供更加适宜的光照环境，从而让用户具备良好的心态。同时，利用计算机等智能设备能够对照明电气系统进行及时的识别与感知，以便随时随地结合外部环境来对灯具的照度进行合理调节，使之符合当下使用场景对灯光明暗度的需求。

3.2.3 低碳环保，节约能源

在物联网时代背景下，智能照明电气控制系统具有更优的人体感应功能与环境感应功能，特别是该系统具有自动节能环保调节功能，能够让用户在光照感应下获得良好的体验，系统设计与控制环节更加科学、稳定。同时，该系统利用专业控制软件实现了系统管理，可对系统的能源消耗情况、故障风险、电路损耗等问题加以全过程监控，持续优化自我调节功能，从而有效节约能源，实现低碳环保。

4 智能照明电气控制系统的应用前景

当前，我国大力建设低碳社会，并提出了可持续发展战略目标。基于此，未来的智能照明电气控制系统需要向着绿色照明的方向发展，加大对节能减耗机制的创新研究，从而更好地适应时代发展的趋势。(1)半导体照明。相较于其他照明技术，半导体照明技术具有更优的节能效果，所以在未来智能照明电气控制系统中起着关键作用。近年来我国在半导体照明创新发展中取得了一定的成效，如：掌握LED灯的封装技术，在很大程度上提高了灯具的发光效率，能够减少电能的消耗，延长灯具的使用年限[8]；(2)绿色环保照明。在我国大力提倡节能减排的背景下，照明领域需要加强对绿色环保照明技术的研究力度，积极打造绿色环保照明工程，开发更加高效高质的照明产品，持续提高照明节能效率，从而有效推动智能照明电气控制系统的长远、高质量发展。

5 结语

综上所述，智能照明电气控制系统在人们生产生活中发挥着重要作用，是一项惠及民生的重大功能。在新时代背景下，传统照明电气控制系统已经无法满足用户对照明的需求，为能够更好地适应现代照明需求，需要以物联网为核心，充分利用计算机技术、互联网技术、移动通信技术等高新技术，对智能照明电气系统进行科学设计，制作出更加高效、高品质、低碳环保的智能照明电气系统，从而为用户提供更加舒适的照明环境。当前我国智能照明电气控制系统依然有很大的进步空间，很多设想理念有待不断验证，需不断提高智能照明电气控制系统产品的质量。