物联网技术的办公楼宇照明节能用电系统

郑阳平，景 妮

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北 承德 067000)

物联网技术的办公楼宇照明节能用电系统

郑阳平，景 妮

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北 承德 067000)

依据现有办公楼宇照明方式的用电特点，以物联网技术为核心，充分利用ZigBee无线传感网络的短距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本的特点，研究设计出基于物联网ZigBee技术的节能照明用电系统，有效地避免了办公楼宇传统用电的管理落后，能源浪费等缺点，改善办公楼宇照明用电系统，实现节能环保。

办公楼宇，照明用电，节能，ZigBee，物联网

能源的开发和控制是一个世界性的课题，我国在用电方面正面临着长期性的电力短缺和紧张局面，随着《中华人民共和国节约能源法》、《节约用电管理办法》、《国务院办公厅关于开展资源节约活动的通知》等相关政策、法规的相继出台，鼓励各用电单位采用好的方式加大节能技术改造，加大对用电单位相关考核监督力度，共同促进资源节约型社会的建设。现阶段日常生活中，人们对节能的重视程度还不够，我国众多的办公楼宇的用电浪费更为突出。本文利用物联网技术，针对办公楼宇照明用电系统进行研究，设计出节能环保的办公楼宇照明用户系统，有效地避免了传统照明用电管理落后，个人意识淡薄造成电力能源浪费等缺点，促进节约型办公环境改进和发展。

1 办公楼宇照明现状与节能用电的必要性

我国办公楼宇众多，基数也很大，节能环保尤为突出，办公楼宇的照明系统在能源管理中，约占办公楼宇能耗的25%左右，而且照明是最容易浪费的能源之一，采用先进的技术，对其进行智能控制和优化十分重要。办公楼宇照明系统主要分为办公室照明，会议室照明、走廊、楼梯、卫生间等。楼宇能耗现状如下:

1)一组来自国家有关部门的调查数字显示:我国楼宇年电力消耗总量占全国总消耗量的10%，能源费用超过800亿元，尤其在大型公共楼宇中，空调和照明是最大的两个“电老虎”。目前一些办公楼宇，虽然也采用节能灯等用电设备，但缺乏智能统一控制管理，造成办公楼宇耗电日益增加。

2)落后的电力能源分配管理模式，导致楼宇管理者仅从保障人员及设备的安全角度对电能进行分配和管理，从不着眼于用电设备的效率和使用成本来进行精益管理;在照明控制方面，比较单一，只有开和关两种状态。

3)个别人安全节能意识淡薄，素质差异也造成较大程度的用电浪费。像“长明灯”，“24 h计算机”等现象屡见不鲜，比比皆是。

4)楼宇整体节能，是政府及各企事业单位“节能减排”形象工程的首选。楼宇能耗降低必将作为政府及各企事业单位的形象工程和重点工程予以实施，采用高科技手段对能耗设备进行节能控制，包括照明、办公设备等，将是楼宇能耗控制的主要途径。

因此，随着物联网技术的快速发展，利用先进的科学技术研究和设计办公楼宇照明控制系统来克服传统照明控制方法的不足是非常有必要的。

2 应用技术分析

2.1 物联网技术

物联网技术是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术，其用户终端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，将物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术，实现物与物的通信［1］。

2.2 ZigBee技术

ZigBee技术是利用蜜蜂与同伴传递花粉所在的方位信息的仿生学原理，开发出一种无线组网通信技术;它是一种低速无线局域技术，是近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要适用于通信数据量不大，数据传输速率低，分布范围较小，对数据安全有一定要求的，而且成本和功耗非常低，易于安装的场合;ZigBee采用的标准是2003年5月发布的IEEE802.15.4，定义了物理层和MAC子层。有较为灵活的工作频段，2.4 GHz是全球流行和通用的工作频段，还有868/915 MHz频段，分别适用于欧洲和美国，2.4 GHz频段里有16个信道，数据传输速率达250 kbit/s，868 MHz频段有一个信道，数据传输速率达20 kbit/s，915 MHz频段有10个信道，数据传输速率达40 kbit/s，通讯距离从标准的10～75 m，可以拓展到几hm、几km，支持无限扩展和延伸［2］。

3 办公楼宇照明节能系统的架构

为实现办公楼宇照明系统的节能，从会议室照明用电，办公室照明用电和公共区域照明用电(走廊、楼梯、卫生间等)三个方面入手，优化和设计办公楼宇智能节能控制系统，系统架构如图1所示。本系统采用ZigBee自组网的方式，由路由或协调节点、终端节点组成星型网络拓扑结构，将会议室照明终端节点、办公室照明终端节点和公共区域照明终端节点连成一个无线传感网络。通信最大距离75 m可以覆盖整个办公楼宇，ZigBee网络最大可以拥有256个网络终端也满足整个办公楼宇照明的需要。基于ZigBee技术的办公楼宇节能用电系统，使用简单方便，控制灵活，能够根据环境改变对照明用电进行实时监控，达到智能控制，实现节能环保。

1)控制中心

控制中心为了便于用户管理和控制办公楼宇照明用电系统，增加一台计算机，与协调节点连接，用来监控办公楼宇整个网络，可以查看各个终端节点的工作状态，既可以设置办公楼宇中各个终端节点的照明模式，又可以发送办公楼宇的控制信号，控制中心通过RS232总线与协调节点连接，协调节点和传感器节点之间通过ZigBee无线传感网络实现信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给协调节点，控制中心通过获取采集到的相关信息，实现对办公楼宇现场照明用电进行的有效控制和管理。

2)会议室照明子系统

会议室照明系统要做到整体规划，统一管理控制，安装多种类型的传感器的ZigBee节点。①②③④四个红外传感器来判断进出会议室的人员，并统计会议室的人数。按照从①到②，或者从③到④的顺序，检测进入会议室的人员，每次感应计数器增加1;按照从②到①，或者从④到③的顺序，检测离开会议室的人员，每次感应计数器减1;⑤号传感器安装在主席台的上方，检测控制主席台的光线，还可以根据是否使用投影来控制会议室的照明模式。⑥⑦⑧⑨⑩○11六个红外传感节点负责会议室参会人员定位，根据传感器采集到的信息，判断该传感器附件是否有人，如果有人，送控制中心，打开此区域的灯光。如果该传感器附件没有人，则关闭该区域的灯光。当然，会议室实际安装的红外传感器的个数和位置，必须依据传感器的覆盖范围及会议室空间的大小来确定。而且组织会议时，尽可能让参会人员向前排集中而坐，避免会场人员分散而坐。 和 是两个光感传感器节点，负责光线强度的判断， 安装在室内， 安装在室外，根据两个节点采集信息，判断是否要开启室内灯光。会议室照明用电控制流程如图2所示。

3)办公室照明子系统

办公室照明是办公楼宇的主体部分，节能控制比较重要。为了统一管理控制，需要安装多种类型的传感器的ZigBee节点。办公室一般只有一个门，所以利用○12○13两个红外传感器来判断进出办公室的人员，并统计办公室的人数。按照从○12到○13，检测进入办公室的人员，每次感应计数器增加1;按照从○13到○12，检测离开办公室的人员，每次感应计数器减1;如果办公室没有人，而且室内光线符合开灯条件时，则当办公室人员离开后延时5分钟关闭办公室照明灯光，以避免频繁开关灯具，影响灯具的寿命。○14○15两个红外传感节点负责办公人员的定位，根据传感器采集到的信息，判断办公人员是在会客区域，还是在办公区域，根据室内光线的强弱，打开或关闭对应区域的灯具。 和 是两个光感传感器节点，负责光线强度的判断，分别安装在室内和室外，根据两个节点采集信息，判断是否要开启室内灯具。办公室照明用电控制流程和会议室照明用电控制流程基本相同。为了避免白天办公室拉上窗帘后一片漆黑的情况，建议将室内的传感器安装在窗帘拉上能遮住的地方。

4)公共区域照明子系统

公共区域照明主要包括走廊、楼梯和卫生间的照明用电。均以声控为主，以光感辅。在走廊、楼梯和卫生间均安装声音传感器节点和光感传感器节点，利用光传感器的亮度检测进行优先控制，然后利用声控传感器采集到的信息，决定灯光是否开启。所有终端节点通过ZigBee无线连接到协调节点，通过协调节点与控制中心连接，实现控制命令的传递。

基于物联网技术的办公楼宇照明节能用电系统是利用物联网技术，通过ZigBee无线传感器网络，将无线传感器终端节点和协调节点组成的分布式星型网络，对采集到的数据信息、进行分析和处理，通过ZigBee将信号无线传输到各个办公的协调器节点，由协调器节点将信息通过RS232总线传送到控制中心的计算机上，由控制中心的计算机确定启动相应的照明模式，经协调器节点，到达会议室终端节点、办公室终端节点和公共区域终端节点，实现办公楼宇灯具的开启、关闭及亮度控制，达到办公楼宇照明节能控制的目的。

4 结束语

基于ZigBee技术的节能用电系统，在使用上简单方便，控制灵活，能够根据环境改变对用电设施实时控制，并最大限度地节约电能，并能方便地应用到各类办公楼宇。不但节约了能源，而且也带来社会经济效益和社会效益。更重要的是ZigBee设备功耗低、成本较低、工作稳定、网络容量大，并且工作频段灵活，不易受到干扰，它能够以两节五号电池工作长达6-24月的时间，换取30%左右电量的节约，值得应用和推广。可以推广到家居住宅、图书馆、商场等领域，为我国节能用电方面做出贡献。

［1］物联网技术［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，鲍可进.智能节能用电系统的研究与设计［J］.计算机工程与应用，2011(6):55-57，112.

［4］周晓伟，蔡建平，郑增威，等.基于ZigBee传感网的楼宇智能照明控制系统的设计与实现［J］.计算机工程与科学，2009(8):150-152，155.

［5］张绪伟，段培永，李连防，等.基于ZigBee网络的校园照明控制系统的设计［J］.信息技术与信息化，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

承德市科学技术研究与发展计划项目(基于物联网技术的办公楼宇照明节能用电系统的研究):201121147

2013-11-11

郑阳平(1979-)，男，陕西洛川人，承德石油高等专科学校计算机与信息工程系讲师，主要从事计算机网络和计算机控制教学与研究。