建筑智能化照明远程控制系统设计研究

2024-05-17王伶燕

城市建设理论研究（电子版） 2024年11期

王伶燕

浙江中筑启创建筑设计有限公司浙江杭州 311113

智能化照明系统不仅可以提高照明系统性能，同时也有助于改善照明系统运营成本，实现科学化、规范化管理照明系统的目标。智能建筑中智能照明系统需要智能远程控制的支持，进一步提高照明系统科技化水平，充分融合智能化建筑物体系与节能理念，优化设计照明控制系统，在达成节约电能的同时为我国的建筑行业可持续发展提供支持。

1 技术背景

作为科学技术结晶的建筑智能化，其是各种高新科技与建筑艺术的结合，充分利用各种信息化技术可以带给建筑物使用者不一样的感受。智能建筑以现代建筑为载体，依靠系统集成方式有机结合建筑艺术、通信技术与计算机技术，自动监控设备，优化组合建筑物与信息资源，可以为建筑物使用者提供相应的信息化服务，满足社会需要。智能建筑具有灵活、便利、舒适、高效与安全的特征[1]。当前智能建筑所用照明系统大多只有热感应、光控与声控能力，不具备远程人为控制功能，无法在建筑物使用者提前提供照明，不利于夜间人们出行与回到建筑物，故有必要设计照明远程控制系统。

2 智能建筑物照明远程控制系统的优势

2.1 智能控制，提升管理

智能照明系统根据实际的照明需求，支持多种形式的控制方式。智能照明远程系统具有延时控制、手动控制、远程控制、场景控制、智能调光等功能。多样化的功能可以使不同场景、不同时间、不同位置的照明系统控制得到满足。

2.2 利于管理，降低成本

楼宇的建筑面积普遍比较大，普通照明需要人工进行开关，而智能照明控制系统可使传统控制方式转为智能化管理。管理者管理起来更加便利，可有效提高管理水平，同时也能够将楼宇的运营和维护成本有所降低。

2.3 按需照明，降低能耗

智能照明系统可以根据不同日期和时间，按照各功能运行状况提前设置光照度，由系统对开关进行自动控制。在此系统中，应用较少的能耗就可提供较为舒适的照明环境，对照明亮度进行自动调节，按照居住者的实际需要进行照明，可使楼宇的用电量大幅度降低。通过智能化管理方式，可以避免“长明灯”这种浪费情况，依据照明使用规则启动未使用的照明场景，获得理想照明效果，并可降低对电能的消耗。

2.4 保护灯具，延长使用

高电压是灯具损坏的主要原因。智能照明系统具有软启动功能，可以使灯具因为电压过高而损坏的情况得以避免。同时，灯具的使用寿命得以延长，会减少更换灯具的工作量，这也会在一定程度上使照明系统的运行成本降低。

3 智能建筑物照明远程控制系统设计方式

3.1 结构设计

以智能化、现代化为特点的智能照明远程控制系统组成十分复杂，包括控制中心、远程通信网络、远程控制结构。系统基础结构为照明远程控制结构，是由智能传感器、远程控制器等设备组成的[2]。在设计系统的时候，使用性能出众的控制芯片，如STC89C52单片机，用于保障中短距离的通信通畅性。为满足远距离设备管控，在设计系统结构的时候可以嵌入无线通信网络，依靠nRF24101芯片，凭借该芯片编码控制程序实现各种设备的管控，为照明系统的运行状态提供监控技术支持。

在远程控制系统中控制中心有着整体化管理能力，设备构成为语音播报设备、显示屏与计算机。远程通信网络结构的设计中，需要将其同上位机连接到一起，工作人员可以通过显示屏了解建筑物中所有区域状况，并按照反馈得到的各区域照明情况发布照明系统管控命令，实现建筑物灯光的远程控制，起到控制灯光、调节灯光目的。

远程通信网络可以用于电子信号远程控制、照明设备管理。使用通信网络技术手段完成建筑物各种照明设备的操控，用合理且科学的方式达到带能节约目的保障照明系统管理能力。

3.2 软件设计

（1）软件设计原理

设计建筑物智能照明远程控制系统的时候需要设计人员按照系统的运行原理，依靠现代技术手段提前将照明功能以及系统要求编写为程序，并输入到控制程序与芯片，使用计算机技术和程序操控系统达到照明系统操控目标。照明系统的控制利用光电感应、红外线人体成像、智能检测设备以及智能传感器等技术可以实时掌握建筑物各区域照明状况，对各种数据分析确认照明条件与需求，使用单片机控制整个系统下发命令后就能远程控制灯具设备。

（2）软件运行流程

远程控制系统在运行的时候，建筑物中的照明灯具受到编程程序控制，远程控制设备运作流程为：初始化芯片后获得上位机发布的命令，系统按照上位机命令执行工作开始使用传感器对周围环境信息采集，根据需求打开、熄灭或是调节灯具亮度。初始化芯片以后可以随时使用远程终端登录程序查看上位机的命令程序执行进度[3]。在上位机命令下达之后采集下位机的各种检测设备与传感器信息，各种数据信息通过电子信号的方式传输给上位机。使用传感器对各种数据进行对比分析，完成系统数值的设定以后就可以掌握建筑物当前的环境情况。在完成信息资源的整合之后程序根据系统预设程序发出相应的控制命令，将智能建筑中的灯具打开并调节灯具的亮度，达到照明系统控制目的。

比如在程序操控灯具开灯之后，单片机同开灯灯具的电路连通，此时控制中心显示屏就会完整的显示开灯灯具线路以及程序执行进度，完整记录灯具的启动时间、亮灯时长，甚至是灯具的能耗、亮度信息。为保障数据的完整记录，程序能够按照照明远程控制系统的需求进行控制信息的完整记录[4]。

（3）调试软件程序

设计完软件之后可以使用系统操作屏进行软件设置。系统操控屏共有三个按键，分别是热释电传感器、光电传感器与上位机信号。在单片机的电路连通之后，就能实时读取芯片信息，并对灯具的操作命令进行解析。之后按照程序要求进行程序的整体化管理[5]。上位机下发灯具操控指令以后，信号立刻传送到指定灯具并执行命令。使用系统操作屏可以随时掌握灯具情况，如果下发命令程序无问题，表明软件设计合理具有可操作的能力。在设备接收到上位机命令但却没有执行程序，表明程序编写有问题需要重新调整，一直到远程控制系统能够执行上位机命令才可以停止程序更改。

3.3 硬件设计

（1）设计电路

在建筑智能化照明远程控制系统中电路是非常重要的构成，包括远程信息接收电路、显示电路、单片机控制电路，不同电路功能不同。远程信息接收电路功能集中于连接红外传感器、监控设备与检测设备的远程操控与监测。显示电路功能非常多，包括计算机设备电路、语音播报设备、信号接收设备以及液晶显示设备的电路连接。单片机控制电路被用于传感器、照明控制设备的电路连接。

传感器电路包括光敏传感器电路与红外传感器电路两种。①光敏传感器电路是由智能传感器、电信号转换器、光敏元件组成的。在产生光照之后，光生载流子就能参与到导电过程，此时需要将电子与空穴分别移动到电源正负极，从而减少光敏电阻的阻值。使用梳状结构电极能够依靠提高面积的方式让电路保持灵敏度。②由房间内灯具、半导体传感器、STC89C52单片机芯片组成的红外传感器电路，充分利用人体红外热辐射原理，掌握建筑物各种信息判断建筑物内的光照状况。电路连通之后就可以实现照明设备参数与启闭的控制，达成远程照明系统的智能化控制目的。产生热释电效应之后，依靠环境温差实现物体的探测，是照明系统远程控制的必要性条件。设计电路的时候应用热释电效应，在钛酸钡晶体表面布设上下电极。钛酸钡晶体钡红外线照射以后温度开始上升，此时电极会有电压差的出现，获得电压输出信号。其构成包括红外感应源、EMI电容、偏置电阻、光学滤镜以及场效应管。

传感器电路包括光耦保护电路模块与时钟电路模块两个部分。①光耦保护电路模块为DC5V的单片机电压，照明电路的工作电压是AC220V。电路设计的时候为防止单片机受到照明电路的影响，应用光耦继电器设备负责电信号的传输。本次决定使用srd-05vdc-sl-c型号设备。该设备运行的时候能够按照单片机信号对灯具当前运行状态进行判断，并调整电路开关，单片机与照明电路的工作电路彼此不会受到影响，具有独立的特征。②使用DS1302时钟芯片作为时钟电路模块，可以让电路获得相应的拓展功能。如建筑物突然断电可以靠着系统内的备用电池继续维持芯片运行，实现实时时间的记录。为防止照明设备断电造成不利影响，可以在系统控制程序中插入时钟芯片，负责照明设备各种参数的记录，包括耗电量、启闭时间，所有数据最终都会被存放于芯片内的存储空间。

（2）设计硬件设备

以LED灯具控制器、智能照明控制设备、CPN智能节电等设备组成建筑智能照明远程控制系统。

①LED灯具控制器使用调光设备控制电路以及调光技术进行电阻值调节。在完成控制线路的设计以及恒定电源的安装之后，使用远程控制系统操控LED照明灯，流程为使用传感器获取建筑物的光照信息，之后系统就会向各个智能节电发布命令，构建光照模型，模型在不同的智能节点中创建相应场景，用于室内外照明状况的分析，使用场景化技术与模块控制技术操控照明度。控制节点能够随时监测回路照明情况，取得功率、电压、电流等信息。使用控制模块转化数据格式，将其变成通信信号，信号可以被展示到控制屏。系统控制模块智能节点使用互联网技术同照明控制器进行交互，在获得控制命令以后就能操控调光系统。②智能照明控制设备是由半导体开关、传感器、智能处理设备组成的，拥有对外通信与照明设备定时管理功能。在同智能节点相互连接诶之后，链接照明设备的端口，完成启闭与调光控制。③CPN智能节点可以同TCP/IP端口链接，其构成包括数据处理、智能存储、DCU通信单元以及CPN数据接口。数据接口可以让各个智能节点相互交流，连接方式为双绞线，所以可以完成数据计算拓展。使用CPN智能节点就可以处理通信单元各种信号，包括照明设备开关、灯具灵活调节以及建筑物照明情况的获取。使用通信单元将建筑物CPN模块与通信接口连接之后，可以让操作人员不仅使用远程控制程序操控LED设备与灯具，还能了解设备与灯具用电量和系统功率。

（3）设计功能模块

首先是设计功能模块，负责用于建筑物所有灯光的控制，可以将照明系统各种信息采集到中央系统，并对能耗进行统计与计算，为照明系统提供如过压过载信息、照明系统故障报警信息，可以让用户随时掌握照明系统运行情况。模块包括数据分析、通信以及光调节。在系统中数据分析是最重要的部分，可以用于系统关键数据的解析，确认变量值情况之后明确控制方法。此外还能统计与计算系统用电情况，控制与管理能耗电压与电流。通信模块具有连接能力，可以将照明系统、远程控制中心进行连接，使用数据帧的办法达成系统各单元数据交换与共享。光调节模块也很重要，只需要将信息输入到系统之后，并添加环境参数与设备参数，模块就能自动创建室内光照度与人员分布的模型，系统对建筑物灯光情况整体分析后可以自行调节各路灯光，包括参数调节与开关控制。

其次是系统功能。系统功能包括时间控制、系统巡测、设备分组、报警处理、远程控制、系统自检、组网通信。①时间控制。使用时间控制的办法远程控制建筑物智能化照明系统，使用定时控制、分时控制和预约控制三种控制形式。系统拥有拓展能力，设置的时候使用多样化实践方案，用于系统各个回路的灵活控制。时间方面的控制模式包括二次开灯、一周循环、节假日、日出日落开的关灯、以及普通等模式。按照实际情况用户选择相应的控制模式与控制方法。明确控制方式之后在照明系统智能控制设备中输入信息。②系统巡测具有选测、手动巡测以及自动巡测等功能。照明系统在运行的时候可以采集各种直流模拟量、功率因数、有功功率、回路电流、三相电路以及继电器状态数据。应用功率因数、有功功率、12路电流、三相电压，使用2路直流变送器接口控制与采集数据，使用8路继电器完成电子信号输出，实现220V、10A交流电路的控制，完成脉冲量与开关量输出，可以帮助系统更好的巡测，系统巡测的时候就能提供通信支持。③设备分组，按照建筑物不同区域同行线路与分布，实现照明设备与照明系统的分组控制，支持远程控制系统与各组控制单元连接，掌握各个设备运行状态以及开关灯日志、设备在线日志、照明系统灯具参数与状态，掌握设备运行问题。除此之外还能查询了解灯具开关终止时间与起始时间，准确分析系统的控制情况。④报警处理。在发现系统异常以后，能够将报警信息及时发出，包括灯具短路、过压过载、配电箱异常开关、线路停电、晚上熄灯以及白天亮灯。在发出警报以后，系统按照实际情况将报警信息发送到用户终端。因为系统拥有无线通信能力，所以在发现用户终端出现故障没有响应能力时，可以利用控制中心操作面板直接操控服务器，使用光纤通信或是局域网通信进行建筑物灯具控制。⑤远程控制，操作人员可以使用计算机设备、平板电脑、智能手机查询建筑物各种灯具状态，远程操作设备开关。⑥系统自检即系统运行的时候，可以让工作人员使用远程系统进行通信状态监测，包括用户登录、TCP通信连接状态以及网络信号强度，判断系统有没有运行风险和异常信息。⑦组网通信，使用光纤通信、以太网通信、GPRS无线通信。操作人员随时调整组网模式与通信网络操控设备。