基于物联网技术的智能照明控制系统设计与实现

沈 喆

（山西晋中理工学院，山西 晋中 030600）

智能照明控制系统广泛应用于舞台灯光、智能家居照明、工厂照明系统等场景中，是人工智能时代下的重要技术进步。当前使用的照明控制系统主要包括硬件控制与软件控制[1]。硬件控制通过硬件设备连接形成信号通路，人工控制灯光变化；软件控制则使用计算机软件控制，但大多数软件均需要操作设备与照明设备的硬件连接，由软件控制硬件，实现控制照明的目标[2]。本研究提出基于物联网技术的智能照明控制系统，使用移动端APP作为控制平台，真正实现远程控制照明系统的核心功能，能有效解决场地与设备限制，提升照明控制效果与效率[3]。

1 智能照明控制系统架构设计

基于物联网技术的智能照明控制系统的主要功能包括远程开关控制、远程光线调节、能源消耗监控、故障预警与处理4个模块。系统包括多个互联的传感器和执行器，将传感器收集的信息汇总给中央处理单元，中央处理单元智能化处理后发送信号给执行器，实现智能照明控制。系统功能架构设计如图1所示。

图1 系统架构设计图

系统允许用户通过APP远程控制照明设备的开关。当用户发出指令时，命令借助互联网传输至中央控制系统，远程控制灯光开关[2]。此功能适用于所有系统内的照明设备，可打破距离的限制，实现远程智能控制。远程开关控制模块包括用户界面、命令传输和控制逻辑功能。远程光线调节通过内置环境光传感器实时监测室内外光线条件，将数据反馈至中央处理器。用户可根据使用需求、使用APP调整光线强度。系统处理器接收到用户设置的光线强度信号后，自动调整对应照明器具至指定亮度。该系统包括光线感应、光线中央处理、命令执行3个核心功能。能源消耗监控功能基于各照明点安装的能耗监测传感器，用传感器收集灯具能源使用数据，将信息发送到中央控制系统。系统汇总分析信息数据，生成能源消耗简报，帮助用户监控能源使用情况。能源消耗监控模块的主要功能包括能耗数据采集、云端数据同步处理、用户交互反馈3项基本功能。实时监测照明设备性能数据能帮助系统预测设备故障、处理设备故障。系统可利用机器学习算法分析历史运行数据、预测和识别潜在的设备故障风险。一旦系统检测到设备异常或性能下降，立即向用户发送警告信息，提供故障处理预案，如果用户提前有相关设置，则会智能化调度维修与处理功能。故障预警与处理模块包括故障检测与预警、远程故障诊断、智能化故障处理3个主要功能。

2 智能照明控制系统APP程序实现

2.1 移动端APP开发

本研究采用支持迭代开发和持续集成的敏捷开发模式，分析了功能需求和技术规格。UI组件设计遵循了Android和iOS平台的设计指南，提升不同分辨率屏幕的适配性。前端技术主要使用React Native框架，系统定义了send Command To Light函数，将命令封装为JSON消息并发布到MQTT主题上，根据灯具唯一标识符确保命令到设备的传输准确度[4]。移动端操作界面如图2所示。

图2 移动端APP界面图

2.2 中央处理器功能实现

中央处理器的开发选择ARM Cortex微控制器，该控制器具有较强的计算能力、内存资源和网络接口，支持高并发的数据处理和设备控制任务。中央处理器固件使用C++语言编程，构建实时操作系统（RTOS）环境，提供任务调度、时间管理和中断处理等功能。中央处理器上的主要控制逻辑是依靠Light Control Task无限循环函数，不断检查用户命令和传感器更新，利用RTOS的任务调度机制来实现多任务处理，以响应外部事件和内部状态变化。Process Command函数负责解析和执行来自用户的开关灯光和调节亮度等操作命令，执行后通过Update Cloud Status函数更新云端服务器上的状态信息。Update Light Status函数负责根据传感器收集的环境数据动态调整照明设备的状态，根据环境亮度和运动检测结果自动开关灯光。中央处理器处理功能的实现如图3所示。

图3 中央处理器处理功能

3 系统测试

3.1 数据采集与预处理

为测试系统性能，采集了不同使用环境下照明设备的5 012条数据样本，处理前的原数据格式如表1所示。

表1 数据样本格式

数据预处理同步了传感器数据时间并进行了数据清洗，移除了明显异常值，将灯具的开关状态编码为“开”为1、“关”为0，将灯具调光参数按照实际调光比例做归一化处理。为确保所有数据均显示了照明设备性能，筛出开关状态编码为0的数据，只用作远程开关控制测试中的开灯测试，将剩余开灯数据用于其他测试。

3.2 测试结果

测试围绕系统四大核心功能，即远程开关控制、远程光线调节、能源消耗监控、故障预警与处理设计功能，分别测试远程控制响应时间、光线调节准确性、能源消耗优化率和故障预警准确率。结果如表2所示。

表2 测试结果表

由表2可知，系统核心功能基本实现，能够有效执行远程控制，具有较好的光线调节准确性和能源消耗监控能力。故障预警系统表现出较高准确率，系统可靠性较高，适用于智能家居及办公环境。

4 结论

综上所述，本系统的主要创新点是将系统控制功能由硬件控制转变为由网络远程控制，技术人员只需要使用手机移动端APP便能宏观控制整个照明系统，提升了系统操作与运维的便捷性。本研究设计了一套基于物联网技术的智能照明控制系统，测试效果表明系统提升了用户操作的便捷性，增强了后端处理的可扩展性。物联网技术的应用让本系统具备了设备能耗报告等大数据分析功能，帮助用户管理设备能源消耗，扩展了系统功能。