建筑智能化照明远程控制系统设计_于博.pdf

照明工程 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明42建筑智能化照明远程控制系统设计于 博山东省图书馆，山东 济南 250199摘要：文章结合智能建筑项目的基本需求，设计可远程控制、智能管理的照明系统。该系统具有较强的节能优势，可以灵活按照建筑区间功能提供照明服务。文章分别从系统结构、软件、硬件、等方面进行设计，明确了建筑智能化照明远程控制系统的设计要点，以及系统实现的技术特征，为建筑智能化照明远程控制系统的推广应用创了良好条件。关键词：建筑；智能化；照明系统；远程控制；系统设计分类号：TU113.6；TP2730引言应用建筑智能化照明远程控制系统有利于节约照明设备的运维成本，规范智能建筑内子系统的管理流程，建立智能化、统一化的管理模式。将节能理念与智能建筑体系相融合，对照明控制系统进行优化设计，可以节约电力资源，促进智能建筑的可持续发展。1系统结构设计建筑智能化照明远程控制系统由照明远程控制结构、远程通信网络和控制中心组成。其中，照明远程控制结构属于系统中的基础结构，主要包括远程控制器、智能传感器等设备。系统中的控制器可采用STC89C52 单片机作为控制芯片，可满足系统中短距离通信需求，对于远距离的设备控制，可基于无线通信网络，利用 nRF24l01 芯片实现。nRF24l01 中的编码程序还能够远程控制其他控制设备，辅助监控照明系统的运行状态1。控制中心是远程控制系统的管理室，核心设备包括计算机、显示屏、语音播报设备等。在设计远程通信网络结构时，应与控制中心的上位机建立连接，并由显示屏显示智能建筑各区域的照明情况，随后按照具体的管控需求，下达控制指令，远程控制建筑物内各区域、各房间的照明控制器，起到调节灯光、控制灯光的作用。远程通信网络的主要作用是传输照明设备信息、发送远程控制的电子信号等。基于通信网络，系统可以通过网络化的控制方式管理建筑内的照明设备，用更科学、合理的照明方式节约电能，提升照明系统的管理效率。2系统软件设计2.1 基本原理在建筑智能化照明远程控制系统软件设计中，设计人员可依据系统运行原理，利用现代化技术、计算机技术编写照明远程控制程序，用该程序实现系统的管控目标。对于智能照明控制设备，智能程序的功能是利用智能传感器、智能监测设备，根据红外线人体成像原理、光电感应原理，全面检测建筑区域内的照明情况，分析相关数据后得到照明需求，并用单片机的控制芯片下达指令，操作灯具开关。2.2 控制流程建筑智能化照明远程控制系统运行期间，远程控制设备的主要控制流程包括：芯片初始化接收上位机命令执行上位机命令采集传感器数据熄灭/打开/调节灯具设置灯具的具体参数等。芯片初始化后，可通过程序自动查看上位机有无下达远程控制指令，发现上位机下达指令后，采集下位机中智能传感器和其他监测设备传输的数据信息（以电子信号形式）。利用传感器对比分析具体数据、设定数值后，获取建筑物内的环境信息，如室内是否有人等。整合所有信息资源后，程序可自动发出控制信号，打开智能建筑的照明电路，根据控制指令调节灯具，控制照明系统2。例如，在接受开灯指令后，系统内的单片机会与电路接通，并在控制中心的液晶显示屏上显示灯具控制的初始界面，记录亮灯时间和累计亮灯时间、灯具作者简介：于博，男，本科，工程师，研究方向为电力工程。文章编号：2096-9317（2023）01-0042-03光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明工程43参数、日期等信息。为确保数据记录的完整性，程序需要根据照明远程控制系统的实际需求持续运行，记录相关控制信息。2.3 软件调试完成软件设计后，在系统显示屏上设计三个按键，分别代表上位机信号、光电传感器和热释电传感器。连通单片机电路后，系统可从 DS1302 芯片读取实时时间，分析灯具开关时间。随后按照软件编程，在上位机发送控制指令后，输出灯具操作信号，如关闭 LED灯具、打开 LED 灯具。观察灯具变化，若指令操作正确，表示该软件设计方案具有可行性。若控制设备获取本机上位机指示后，灯具无变化，则需重编写程序，直至符合智能化照明远程控制系统的控制要求。3系统硬件设计3.1 电路设计建筑智能化照明远程控制系统的电路包括单片机控制电路、显示电路和远程信息接收电路等。其中，单片机控制电路支持系统照明控制器、传感器的电路连接；显示电路负责液晶显示设备、信号接收设备、语音播报设备、计算机设备的电路连接；远程信息接收电路负责远程检测设备、监控设备、红外传感器的电路连接。3.1.1 传感器电路（1）红外传感器电路。红外传感器电路的组成包括 STC89C52 单片机芯片、半导体传感器和房间内灯具。在系统根据人体红外热辐射原理获取空间内的相关信息后，可以分析周围光照情况，继而在连通电路后控制照明设备的启闭和参数，实现智能化远程照明控制3。热释电效应产生后，红外传感器需要利用环境中的温差探测物体，为照明系统的远程控制提供参考。电路设计时，应结合热释电效应原理，在需用到的钛酸钡晶体上布设上、下电极。红外线照射在钛酸钡晶体上后，温度上升，电极间会产生电压差，电路可获取电压输出信号，排查热源。传感器电路连接主体包括场效应管、光学滤镜、偏置电阻、EMI 电容、红外感应源。（2）光敏传感器电路。光敏传感器的组成包括光敏元件、电信号转换器、智能传感器。光照产生后，光生载流子可参与导电，需要将空穴和电子分别移动至电源负极和正极，以降低光敏电阻阻值。电极可设计为梳状结构，从而增大其面积来提升电路的灵敏度。3.1.2 时钟电路模块照明远程控制系统内设有 DS1302 时钟芯片，该芯片有助于拓展系统功能。建筑断电后，3 V 备用电池可以维持芯片的供电，记录实时时间。为避免智能建筑内照明设备断电，可将时钟芯片插入系统控制程序中，记录照明设备的启闭时间，计算耗电量，同时将相关数据存储在 DS1302 的 RAM 上。3.1.3 光耦保护电路模块单片机工作电压为 DC 5 V，照明电路工作电压为AC 220 V。设计控制电路时，为预防照明电路影响单片机，需要使用光耦继电器。可选用信号为 srd 05vdc sl c 的光耦继电器作为电信号传输器件。其运行时，可根据单片机输入的信号判断灯具状态，打开、关闭电路，使照明电路、单片机工作电路相互独立、不受影响。3.2 硬件设备设计建筑智能化照明远程控制系统中，包括 CPN 智能节点、智能照明控制设备、LED 灯具控制器等硬件设备。（1）CPN 智能节点。可与 TCP/IP 通信接口连接，包括 CPN 数据接口、DCU 通信单元、智能存储、数据处理等子单元。其中，CPN 数据接口可实现智能节点的交流，并通过双绞线连接方式，构建能够进行数据计算的网络拓扑模式。DCU 通信单元用于 CPN 智能节点的通信处理，通过获取建筑内照明信息，灵活调整灯具、照明设备的开关。智能照明 DCU 通信单元利用通信接口和建筑物内的 CPN 模块连接后，可以使系统的远程控制功能不仅局限在 LED 灯具和其他设备的操作上，还可以计算照明系统功率、设备所用电量4。（2）智能照明控制设备。包括智能处理设备、传感器、半导体开关，具有定时管理照明设备、对外通信的功能。和 CPN 智能节点连接后，可与照明设备的输出端口建立连接，进行调光和启闭。（3）LED 灯具控制器。可以基于 0 10 V 调光技术及调光设备内的控制电路调节电阻值。安装恒定电源、设计控制线路后，可以直接远程利用控制器控制LED 照明灯，具体控制思路如下：系统获取建筑内光照度信息后，DCU 可将其发送给 CPN 智能节点，建立光照度模型。在计算机仿真程序、远程控制程序的支持下，该模型可分别在各个 CPN 智能节点上建立场景，模拟分析室内外照明情况，随后利用具体场景，借助 DCU 控制模块对照明度进行智能控制。在此期间，照明工程 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明44CPN 节点会实时监测照明回路，获取电流、电压、功率灯信息，由 DCU 模块调整数据格式后交由通信模块转换后，展示在控制中心的显示屏上。系统内 CPN 智能节点可利用网线互联，并与智能照明控制器交互，使其接收照明控制指令后操作 LED 灯具管的开关和调光系统。3.3 功能模块设计及系统功能3.3.1 功能模块设计建筑智能化照明远程控制系统的主要功能是远程线上控制建筑物内的各路灯光，实时采集照明系统的用电信息，计算、统计能耗，同时提供照明系统故障报警信息、过压过载信息，协助用户及时发现照明系统的故障问题。主要的功能模块如下。（1）开关和调光模块。在输入具体的环境参数、设备参数后，该模块可建立人员分布模型、室内光照度分析模型，经智能分析后对建筑物内的各路灯光进行调优操作，包括开光控制、参数调节和其他操作。（2）通信模块。具有连接远程控制中心、照明系统控制软件的功能，可以以数据帧的形式实现系统内子单元的数据共享和交换。（3）数据分析模块。可以解析照明系统内的关键数据，查询变量值后确定控制指令。可以计算、统计照明系统运行期间的用电信息，管理和控制能耗及电流、电压等。3.3.2 系统功能（1）时间控制。可以采用时间控制方式对建筑智能化照明系统进行远程控制，控制形式包括预约控制、分时控制、定时控制三种。系统具有可拓展性，能够设置多套时间方案，灵活控制照明系统各个回路。具体的时间控制模式包括普通模式、日出日落开关灯模式、节假日模式、一周循环模式、二次开灯模式等。用户可以结合实际情况，以及不同模式下的控制效果，选择具体的控制方式5。确定控制方式后，可将相关信息输入照明系统的智能控制设备，经通信线路支持后运行实施。（2）系统巡测。系统具有自动巡测、手动巡测、选测功能，能够在照明系统运行时，采集继电器状态、三相电压、回路电流、有功功率、功率因数、各种直流模拟量等信息。主要技术支持包括遥测技术、通信技术、远程遥控技术。远程遥测的实现方法是利用三相电压、12 路电流、有功功率和功率因数，通过 2 路直流变送器接口进行数据采集和控制。远程遥控是利用 8 路继电器输出的电子信号，触发 220 V、10 A 交流电路，输入开关量、脉冲量等电子信号后，协助系统进行巡测活动。2 路隔离 232/485 接口以 Modbus 标准通信协议为核心，在系统巡测时为其提供通信服务。（3）设备分组。系统能够根据建筑内各区域的分布和通行线路，分组控制照明系统、照明设备。支持各组控制单元和远程控制系统连接、查询设备在线运行情况、照明系统内灯具的开关状态及参数、设备的在线日志、开关灯日志。甚至可以查询灯具开关的起始时间、终止时间，从而方便用户查看特定时间段的照明能耗、分析照明系统智能控制效果。（4）报警处理。系统发现异常后可以及时发送报警信息，报警内容包括白天亮灯、晚上熄灯、线路停电、配电箱异常开门、过压过载、灯具短路等故障。报警后，系统可结合实际情况，向对应的用户终端发送报警信息。由于系统自带 GPRS 无线通信模块，控制中心可在用户终端无响应后，直接利用串口服务器模块、局域网或光纤通信模式远程控制用户灯具。（5）远程控制。系统支持智能手机、平板电脑和其他计算机设备通过无线互联网接入系统内，查询建筑内的照明设备状态，并进行开关灯操作。（6）系统自检。系统运行期间，相关人员可利用计算机系统检测远程控制系统 GPRS 通信状态，包括网络信号强度、TCP 通信连接状态、用户登录情况，分析有无异常信息，从而减少系统运行风险，降低系统故障率。（7）组网通信。系统支持 GPRS 无线通信、以太网通信、光纤通信，以及 GPRS/4GLTE 无线分组网通信、无线互联网和无线 VPN 组网。系统内的控制设备可灵活地切换通信网络、组网模式，保持良好网络状态。4结束语建设建筑智能化照明系统，可在计算机、人工智能技术、大数据技术的支持下进行远程管理和自动化调控，高效率地控制、管理智能设备和照明设施，节约资源，满足建筑智能化照明远程控制系统的管理要求。参考文献1 吴兵.智能照明系统在建筑电气工程中的应用J.光源与照明,2022(9):31-33.2 柳全成.基于