物联网环境下医院照明系统节能改造

陆 齐，陈 瑾

(无锡市人民医院，江苏 无锡 214023)

引言

医院照明系统在医院运行中有至关重要的作用，在智能照明系统普及之前，医院的照明均采用手工控制开关的方式，设计粗糙且需人及时开关才能满足照明需求，经常出现忘记开关，导致电力资源浪费的现象。且手工控制的照明系统不能根据现场实际环境调节光照度，照明环境舒适度不高且容易造成电能的浪费。智能化照明系统的使用在保证照明质量的同时提高了医院照明系统的管理能力。

1 医院照明系统智能化改造的必要性

1.1 智能化建设对医院建设运行的必要性

随着信息时代的到来，各类智能化软件系统在医院建设运营和管理中发挥重要作用。医院内患者就诊过程信息化、建筑设备智能化、医疗设备智能化等运用不仅提高了医院的运营效率，降低了人力成本，也有效地降低了医院建筑设备的能耗。运用智能化软件直观地展现医院内部能耗运行情况有助于实现医院能源管理的精细化。同时，智慧软件提供的远程查阅和操作系统提高了工作管理的效率，使管理更加便捷、可靠。

1.2 医院照明系统智能化改造对医院节能运行的意义

为响应国家建设资源节约型、环境友好型社会的号召，医院作为社会上能耗需求的重要机构，节能改造有至关重要的意义。由于医院24 h运营的性质及其医疗急救的功能性，医院公共区域节能改造在医院节能策略的实施效果上有非常显著的成效。照明系统的节能改造能改善医疗环境，提高医患就诊舒适度和满意度。

2 智能照明的控制方案应用

2.1 智能照明方案设计

随着物联网环境的普及，智能化逐渐渗进医院项目的改造。本项目的智能照明系统采用分布式LonWorks现场总线控制技术作为现场设备通讯的传输通道，运用分布式无主站点的点对点对等结构、各节点地位对等，部分节点故障不会影响整个系统瘫痪，提升了系统的传输速度和抗干扰性[1]。本系统以绿色照明节能运行为目标，采用分布式集中控制系统将照明系统进行集中管理，利用LonWorks控制总线和LonMarker软件、组态软件远程控制现场传感器调节灯光的开关及情况，方便管理者实时掌握系统的运营情况。

医院的照明设计对不同的场所有不同需求，例如手术室和治疗室的光照度比候诊大厅的过道和走廊的光照度需求要精密一些，控制方案也需要不同的配置，照明系统通过在各区域回路的不同亮暗设置，在给用户提供舒适照明环境的同时根据照度需求关闭不需要的灯光节约能源。《医疗建筑电气设计规范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)[3]等标准规范对医院建筑不同区域的照度标准值及照明功率密度限值都有相关规定，在对医院照明系统改造的同时需满足以下相关标准，具体要求见表1。

表1 医院建筑照明标准值

为提供舒适的照明环境并兼顾医院节能运行的目标，本次设计重点对门诊楼的挂号大厅、候诊室、走道等公共区域进行智能照明方案设计，并针对不同地区的环境特点配置相应的照明控制方案，进行分区域或分时段动态调整。医院其他区域如病房、手术室、化验室、护士站灯主要是给工作人员办公的场所，室内的灯光控制主要根据《医疗建筑电气设计规范》(JGJ 312—2013)[2]及《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)[3]采用不同照度的灯具进行恒光控制。

本次设计主要对医院门诊、医技等公共区域的照明进行不同的方案配置，各场所针对不同的场景对灯光和环境进行互动控制，包括白天工作模式、午休模式、晚上模式等照明控制方案，同时将照明的灯具设置为基本照明、补充照明和应急照明，具体控制方案如下：

(1)白天工作模式。根据场所的日光照度，用光照度检测探头与日光照明相结合的模式，当日光渐暗至一定照度时，光照感应控制自动启动，增开灯光；当自然光渐亮至一定照度时，光照感应控制自动将过亮的照明关闭，保留部分灯光以保持适当的照度。

(2)午休模式。关闭大部分基本照明的灯光，根据场所人员活动情况，采用红外动静探头，当探头检测到人员活动记录，则人来灯亮，人走灯灭，随走随关，根据各场所的照度需求开启补充照明。

(3)深夜模式。深夜时间人较少除应急照明外其余灯光皆关闭，智能控制放到手动模式，可根据场所实际情况开/关灯，进入节能状态。

(4)采用定时启停控制与各场景控制模式相结合的方式。为保障医院运行过程中的照明需求，同时兼顾节能管理的要求，通过智能时钟根据不同的运营时间控制定时器切换不同的场景模式，达到最大的节能效果。

光照度检测控制照明模式与红外检测控制模式根据现场情况调整场所灯光亮度的照明效果图如图1所示。在靠近天井的走廊和向阳窗户附近由于日光充足，可以利用自然光减少人工照明；而阴天或室内靠里面的角落，自然光线不足无法达到光照度要求时，开启人工照明来保证照明的质量。

图1 智能照明的两种控制模式效果图Fig.1 Effect diagram of two control modes for intelligent lighting

根据实际情况，对医院公共区域的走廊、过道、候诊大厅等照明运行情况制定工作日运行时间任务，见表2。

表2 医院公共区域照明系统工作日运行时间任务表

该任务表的具体运行时间会根据国家法定假日进行调整，12：00—13：30为午休时间段，18：00—次日7：00是门诊夜休时间段，保留应急照明，现场开关取消远程控制，可根据实际情况现场开启。根据照明任务表设计的照明系统软件运行界面如图2所示。

图2 定时启停配置运行界面图Fig.2 Timed start stop configuration operation interface diagram

2.2 智能照明系统的控制原理

本次智能照明系统设计采用基于PID[4]控制的DDC[5]闭环控制方式。根据设定的光照度与实际光照度的偏差调节现场的照明光照度，使用光照度检测，结合智能控制器的控制模块，使用逻辑运算，用继电器控制现场照明设备。当现场的光照度低于实际需要设定值时，系统通过DDC控制器比对、计算，触发继电器增加照明设备。反之，当现场的光照度高于实际需要设定的光照度时，DDC控制器就会根据光照度补偿差量关闭照明设备。

DDC控制器的核心是比例-积分-微分(PID)控制算法，带PID控制的DDC控制器的控制原理框图如图3所示。它的数学模型为：

图3 基于PID控制的照明系统控制框图Fig.3 Control block diagram of lighting system based on PID control

e(t)=r(t)-b(t)

(1)

式中，r(t)表示给定信号，即输入至控制系统的设定的光照度值对应的电压值；b(t)表示主反馈，即由现场采集的光照度值转换的电压信号；e(t)表示误差，即设定值与现场反馈值之间的误差值。

2.3 智能照明系统的硬件选择

本方案采用LonWorks现场总线技术开展系统设计，在硬件设计方面，主要分为I/O设备层和控制层。I/O设备层主要包括智能终端节点，如光控开关量控制器、声控开关量控制器等作为执行器使用，可以执行上层网络下达的各项指令。控制层主要包括LonWorks节点控制器，用于对智能终端节点数据量包括运行数据、报警信息、设备状态、人工远程控制记录等的采集、模式转换和上传。

在管理层上面，LonWorks网络主要包括网络接口、上位机和各种LON网络接口等，主要负责数据监测上传到上位机和给下位机下达控制指令。以DDC[5]为核心构建的智能照明控制网络如图4所示。

图4 智能照明网络图Fig.4 Intelligent lighting network diagram

在硬件主接线图设计完好之后，就要挑选适合本方案的现场设备，主要包括现场控制器、传感器、变送器等，根据现场层设备的需求，现场层设备选型主要考虑以下几个方面的影响因素：

(1)现场电源电路安全。为保障照明系统的安全运行，系统对现场电路加装了过电压、欠电压报警装置，并通过组态控制软件实时反馈现场电路的电压情况，以保证供电线路的安全质量运行。

(2)现场控制器的控制范围。为减少现场网络中的总线的阻塞，加快系统的运行速度，并且确保当监控系统发生故障时，有工作能力的DDC控制器对同组的设备仍能单独服务运行，用一个DDC控制器接收同一层面设备的输入输出信号。同时必须选择配套的传感器与变送器把现场采集到的电量和非电量信号转换为DDC控制器可以接受的信号。

(3)数据传输的方式。在照明配电柜里控制采集器与现场设备之间的数据转换，通过通信接口与专用控制器进行通信。为保证控制效果，配电柜内需增加光电隔离和继电器等进行实施，将采集到的数据记录存储在数据库中，与共享数据库形成关联，形成集成系统总数据库，为系统集成的方案运行和系统维护提供数据支持。

(4)照明控制柜的控制相关参数配置。运用与现场控制模式配套的照明控制软件来控制该系统的运行情况。为保证控制效果，照明控制柜内的控制模式需与实际设置模式相符，才能保证现场的信号准确地反馈到智能控制系统的上位机内。

智能照明的典型控制功能模块主要有以下几个方面的选择：

(1)节能灯调光控制器。通过电子整流器对节能灯调光，输出调压信号。

(2)场景控制模块。与时钟模块结合，根据医院的运营时间启用定时启停模块设置工作日、夜晚、午休不同的场景，通过按键切换不同场景。对门诊楼和医技楼随上下班时间调整灯光开关或亮度，上班时间放开权限，夜晚或休息日则根据实际需要改为手动控制。

(3)红外传感器。对人体红外线进行检测以达到对灯光的控制，如人来灯亮、人走灯灭。

(4)光亮照度传感器。根据室内和室外光线的强弱和医院建筑照明的标准来调整光线，如过亮关掉、过暗打开等。

在本方案中所用到的控制器是HW-BA5200系列DDC控制器，采用LonWorks现场总线技术，主要用于智能照明系统各种信号的采集以及控制，可提供实时时钟输出以及日程表控制输出，对外提供标准网络变量的实时时钟接口及日程表控制输出口接口，对改造中的573个照明点位设计了25个子网，控制器设置在每个子网中，网络布线简单、配置灵活、使用和维护简单、可靠性高，并支持自由拓扑网络结构，可完成对各个场景照明控制系统的开关量信号及模拟量信号的采集和控制。

2.4 智能照明系统的软件实施

在系统硬件设计完成之后，运用LonMarker软件对系统的硬件设计进行集成和控制。LonMaker是LonWorks现场总线的集成开发工具软件，采用基于PLUGIN技术的配置程序，可通过图形化的界面对现场进行工程方案设计和调试，所以网络通信的设计是通过网络变量的参数设置来实现的。在底层的物理电路和硬件设备选择设置好之后，通过LonMaker软件可以创建需要连接的网络，连接DDC节点，进行具体的功能模块设置。系统单模块照明结构图如图5所示。

图5 单模块照明系统结构图Fig.5 Structural diagram of single module lighting system

在LonMaker软件设计开发好智能照明的网络配置后，将开发好的程序下载到HW-5000系列的现场控制芯片中，开启各类场景模式，根据智能照明系统的设置方案启动。为满足照度需求，光照度传感器运用调光模块，输入的电压信号与输出传感器的光照度是线性对应，根据实际光照度的大小实时调节人工照明。经LonWorks网络连接，照明系统的控制可以实现APP远程，管理人员可以直观地看到每个区域照明系统运行的实况，并可以根据实际情况远程开关照明设备。

在对控制器下载好程序后运用组态软件开发对应场景的应用界面，采用基于C/S架构的监控软件，画面直观、可操作性强，可直接监测各个区域的照明情况，并统计出每个模式下的照明能耗情况，实现实时监控及远程操作功能。

3 医院智能照明系统改造方案的效果分析

在国家节能减排的号召下，公立医院能耗考核指标逐渐严格。而医院的运行需考虑医疗急救、患者治疗监测、医疗设备操作需求、患者治疗满意度等多方面因素。因此，在医院的医疗工作场所照明需非常稳定且符合国家规范和医疗需求，降低医院非医疗场所的公共区域能耗对医院节能减排措施的实行有非常重要的意义。

该项目改造完成后，根据《建筑节能工程施工质量验收规范》(GB 50411—2019)、《照明测量方法》(GB/T 5700—2008)[6，7]，医院委托相关检测单位对改造的场所进行了光照度测试，大部分测试结果均符合《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)[2]，对个别偏低偏高的点位也进行了整改，调整了照明工具的功率。同时，医院对挂号大厅、门诊楼和医技楼候诊室、走廊、过道等医疗公共区域的照明能耗进行统计和对比，发现医疗公共区域的照明能耗降低了约39.3%，改造前后能耗对比具体情况见表3。

表3 医院改造前后公共区域能耗对比

4 结论

由于医院的运营性质以及对患者舒适度的考虑，医院的建筑能耗一直比其他大部分企业的建筑能耗高。在我国医院的能源消耗中电力消耗占比最高，而照明用电约占电力消耗中的20%，因此降低医院的照明系统能耗对医院的环保、舒适运行有重要意义[8]。本文详细地阐述了在物联网环境下医院智能照明系统的运行情况，该系统利用光照度和红外传感器对比监测，在保证照明质量的情况下实时调节人工照明，改造后的公共区域用电能耗降低了39.3%，实现医院部分公共区域照明系统的智能化和节能运行。