采用無線通信的航站樓智能照明控制系統

邢書劍 王明強 史經倫

關鍵詞： 航站樓; 智能照明; 無線通信; 數字可尋址調光接口; 傳感器; 節能

中圖分類號： TN876?34; TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0068?05

Abstract： Aiming at the problems such as high power consumption and complex wiring of the terminal indoor illumination， an intelligent lighting control system based on ZigBee wireless network and digital addressable lighting interface （DALI） system is proposed. The wireless communication mode can improve the scalability of lighting system， and reduce the maintenance and upgrade costs. The DALI system can perform the grouping control for the lamps. The illumination moving sensor can realize the time and regional illumination of each area in the terminal. The experimental platform was set up to perform the simulation experiment for the regions （central hall and corridor） with different illumination requirements. The experimental results show that the system can automatically adjust the indoor illumination according to the change of the natural light intensity， realize the time and region intelligent illumination， and achieve the purpose of energy conservation， and has a certain application value.

Keywords： terminal; intelligent lighting; wireless communication; digital addressable lighting interface; sensor; energy conservation

0 ?引 ?言

隨著社會與科技的迅速發展，人們的環保意識日漸提高，節能減排已成為我國的一項基本國策。據統計，我國照明用電約占總用電量的10%～12%。機場航站樓作為公共建筑設施，建筑面積和客流量大，各類照明電器設備安裝密度高，單位建筑面積耗電量大，且全年運行沒有節假日。因此，航站樓的用電量更高，合理使用航站樓照明系統，優化用電模式，對于機場的節能減排工作意義重大。

近年來，無線傳感網絡技術的不斷進步為智能照明系統、智能家居、監控系統、智能樓宇等設計提供了更多技術支持。國內外針對基于無線通信方式的應用開展了大量研究，采用的無線技術如ZigBee，ANT，3G等，這些技術已應用于隧道、教室、路燈、樓宇、家居、遠程監控、城市停車系統等領域[1?7]。然而，基于無線通信技術的航站樓智能照明系統還鮮有研究[8]。另外，數字可尋址調光接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）定義了照明電氣與系統設備控制器之間的數字通信方式，DALI技術的使用能夠以廣播、分組或單獨個體的方式靈活控制單燈或者燈組，使調光控制更加靈活可靠，目前已廣泛應用于酒店、飯店、商業中心等[9?11]。

因此，本文提出一種結合ZigBee無線傳感網絡和DALI技術的航站樓智能照明控制系統，利用無線通信技術將單片機與DALI網關進行組網，根據使用環境中自然光的亮度、航站樓不同區域、不同時段的照度需求，實時調節各回路燈組的驅動電流，實現智能化、自動化調光，達到節約電能的目的。通過搭建實驗平臺模擬不同區域，實驗證明本文提出的系統可以滿足設計需求，具備實際使用價值，該系統的研究為智慧機場在照明方面提供了可行的解決方案。

1 ?系統總體結構及功能描述

航站樓智能照明控制系統如圖1所示，主要包括STM32單片機、ZigBee模塊、DALI電源、DALI網關、DALI照度移動傳感器、DALI調光器及LED燈具。

1） STM32單片機

系統采用探索者STM32F4開發板作為智能照明控制策略實現的主控單元，通過RS 232串口與ZigBee協調器相連，負責實時檢測航站樓內各個區域的照度值、有無行人、LED燈具工作參數等信息，并根據一天內不同時刻、不同區域所需的光照度進行分析處理，再將不同區域內LED燈具所需照度值通過DALI網關發送到相應的DALI調光器進行處理。

2） ZigBee模塊

ZigBee模塊負責單片機與每個DALI網關之間的無線通信，其中與單片機相連的模塊為協調節點，與每個DALI網關相連的模塊為各個終端節點，采用星形拓撲結構組建無線網絡，實現DALI網關采集數據的上傳以及單片機控制信號的發送。

3） DALI電源

本文系統采用CTT?DLPS250?1電源為每個DALI網關組成的調光系統提供24 V的DALI總線電源，輸出電流可達250 mA。

4） DALI網關

采用DALI網關（型號為CTT?DLGW?R）作為以DALI協議為基礎的核心部件，每臺網關可控制64個DALI設備，負責對所屬區域的照度移動傳感器及調光器分配設備地址、讀取和設置參數等工作。對于燈具較多的情況，可采用多個不同設備地址的DALI網關組成控制網絡。DALI網關與ZigBee模塊之間通過一個RS 485/RS 232轉換器相連。

5） DALI照度移動傳感器

分布在各區域的照度移動傳感器（型號為CTT?DLSR?T）負責實時采集本區域的照度值及檢測是否有人經過，其測量值通過DALI網關上傳至單片機作為照明控制策略的判斷依據。

6） DALI調光器及LED燈

每個DALI調光器（型號為CTT?DL2005?3）具有3路獨立的恒壓（最大5 A）輸出，可分別控制3個LED燈的驅動電流，以實現對不同時間、不同區域的照度需求。系統選用12 V電流驅動LED作為照明單元，可根據使用需求進行合理布局。

2 ?控制策略

人工照明是航站樓消耗能量最多的應用，超過制熱或制冷，在考慮總體環境需求、舒適性和安全的前提下應優化照明的手段、燈具的使用等措施，充分利用、平衡自然光照明和人工照明是節能的重要手段之一。另外，航站樓的日間照明與夜間照明模式同樣重要，既要保證旅客能夠輕松辨認通道和空間，又要盡量減小能源的浪費[12?15]。因此，航站樓照明管理需充分考慮實際狀況，結合照度移動傳感器的使用，綜合考慮與照明相關的時間、區域、環境照度和人員流動等因素，充分融合時間表控制、區域控制和環境參數控制，對整個航站樓采取分區域和分時段的場景控制策略，具體照明控制策略如下：

1） 分時段照明

在機場業務繁忙的時段（8：00—22：00），控制各區域保證較高的照度，由于該時段大部分時間內外界自然光的光強和入射角度會一直改變，所以要求LED燈的亮度隨著自然光強度的變化而變化;在其他時段內，人員相對稀少，則可降低各區域的照度需求，對于某些區域可在無人的情況下適當關閉部分燈光以達到節能的目的。

2） 分區域照明

由于航站樓各區域的功能不同，往往對照度的需求不同，比如安檢區需要更高的照度，而走廊、樓梯等區域對于照度的需求往往相對較低。利用DALI網關對不同區域內的LED燈設置對應的ID，再進行分組控制，可以實現單燈及不同燈組的亮度控制、開啟和關閉。

3） 環境參數控制

根據天氣、人員流量等實際環境參數實時調節照明參數，以獲得更好的照明質量和節能效果。在不同區域適當設置照度移動傳感器，實時檢測當前照度并調節相應燈具的亮度。鑒于夜晚人員流動稀少的特點，適時關閉部分區域的燈光，只在有人經過的條件下打開相應的燈即可。

4） 定時控制

定時控制可配合照度移動傳感器來使用，多用于夜晚人員稀少的情況，在有人經過的情況下適當打開相應區域的燈光，在一定時間內無人員經過的情況下，根據需要可定時關閉該區域的燈光。

綜上考慮，根據《建筑照明設計標準》（GB 50034?2013）中的規定，結合機場不同區域的實際照明需求，將分區域照明、分時段照明、環境參數輔助、移動感應、定時控制幾種控制方式有機結合，對航站樓內各區域的照明控制策略進行設計，如表1所示。

以中央大廳為例，其日間的照度需求為300 lx;夜間的照度需求為200 lx，并參考人員流動情況適時開啟和關閉部分燈光。為盡量簡化燈光調節的頻率，可設置20 lx的照度余量，即在日間照度為300～320 lx之間保持燈光亮度不變，在夜間有人情況下照度為200～220 lx之間保持燈光亮度不變，在夜間無人情況下設置定時1 min后關閉相應燈光。在其他情況則適當調高或減弱燈光亮度，并進行比較判斷是否滿足照明需求，具體軟件流程如圖2所示。對于航站樓其他區域則采用類似的處理流程。

3 ?實驗與分析

為驗證系統的可行性，本文搭建了實驗平臺，整體框架采用3030規格的鋁型材，尺寸為1.5 m×1 m×2 m，外罩采用兩層布料作為屏障，內層采用純白色棉布模擬墻壁，外層采用遮光圖層材料阻擋外界自然光，實驗中可根據模擬航站樓不同區域的需要適當打開一側或在外罩上開口以保證自然光的射入。在框架內部安裝燈具及照度移動傳感器，通過單片機控制不同區域不同時段的光照情況，利用HT?8318照度計測量光照情況，實驗平臺如圖3所示，控制系統硬件如圖4所示。

為驗證智能照明策略的可行性，本文基于實驗平臺分別測試了中央大廳和走廊兩個區域在7：00—18：00的照明情況，實驗結果分別如圖5，圖6所示，具體實驗流程如下：

Step1：系統上電自檢，完成無線網絡的初始化;

Step2：DALI系統的初始化，包括網關、照度移動傳感器、調光器的地址分配及參數設置;

Step3：單片機工作，定時采集當前時間、照度等信息，利用中斷收集人員移動情況，根據不同區域、不同時段自動進行分析處理，將調光電流的控制指令通過DALI網關發送至相應地址的DALI調光器以控制燈具的亮度。

由圖5可見，在7：00—13：00之間隨著自然光照度的升高，LED燈的照度會逐漸減小;在13：00—18：00之間，自然光照度會逐漸降低，LED燈的照度則會逐漸升高，從而使得中央大廳的地面總照度可在8：00—18：00保持在300～320 lx之間;而在7：00—8：00中央大廳的地面總照度需求為200 lx，圖中照度為208.7 lx，同樣滿足要求。由圖6可見，走廊在7：00—18：00的地面總照度始終維持在200～220 lx之間，LED燈的照度會隨著自然光照度的改變而隨時調節，基本滿足互補的特性。因此，本文系統可實現分區域、分時段照明，具備自動調節燈光照度的能力，達到了設計需求。

4 ?結 ?語

本文采用ZigBee無線網絡和DALI總線協議，設計了一種針對航站樓的室內智能照明控制系統。利用無線的方式降低布線成本，提高系統靈活性，結合DALI系統的優勢，利用STM32單片機作為主控單元對航站樓內部實現分時段、分區域照明。搭建實驗平臺對中央大廳和走廊兩個區域進行實驗，實驗結果表明，該系統具備根據自然光條件的改變自動調節室內照度的功能，達到了節能的目的，對航站樓室內照明具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] 李光明，孫英爽，黨小娟.基于安卓的遠程監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2016，37（2）：556?560.

LI Guangming， SUN Yingshuang， DANG Xiaojuan. Design and implementation of remote monitoring system based on Android [J]. Computer engineering and design， 2016， 37（2）： 556?560.

[2] 庫波.基于嵌入式隧道照明節能技術的研究[J].現代電子技術，2017，40（2）：90?93.

KU Bo. Energy saving technology based on embedded tunnel lighting [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（2）： 90?93.

[3] 龐泳，李光明.基于ZigBee的智能家居系統改進研究[J].計算機工程與設計，2014，35（5）：1547?1550.

PANG Yong， LI Guangming. Research on improvement of smart home system based on ZigBee [J]. Computer engineering and design， 2014， 35（5）： 1547?1550.

[4] 辛大欣，張志龍.基于CC3200的無線照明控制系統的設計[J].計算機與數字工程，2017，45（4）：758?762.

XIN Daxin， ZHANG Zhilong. Design of wireless lighting control system based on CC3200 [J]. Journal of computer and digital engineering， 2017， 45（4）： 758?762.

[5] 胡婭婭，李亞亞.基于物聯網的教學樓照明自動控制系統研究[J].河北北方學院學報（自然科學版），2017，33（3）：47?51.

HU Yaya， LI Yaya. Research on automatic lighting control system for teaching building based on Internet of Things [J]. Journal of Hebei North University （natural science edition）， 2017， 33（3）： 47?51.

[6] 齊保良，趙飛，孫敏.基于藍牙通信的停車場誘導泊車系統[J].計算機工程與設計，2017，38（2）：557?561.

QI Baoliang， ZHAO Fei， SUN Min. A parking guidance system based on Bluetooth communication [J]. Computer enginee?ring and design， 2017， 38（2）： 557?561.

[7] 許毅平，周曼麗.無線網絡技術在智能樓宇中的應用研究[J].計算機工程與設計，2006，27（22）：4264?4267.

XU Yiping， ZHOU Manli. Application research of wireless network technology in intelligent building [J]. Computer enginee?ring and design， 2006， 27（22）： 4264?4267.

[8] 史艷紅，房洪凱，王渭林.基于PLC網絡和組態技術的機場航站樓照明監控系統設計[J].微型機與應用，2017（16）：102?105.

SHI Yanhong， FANG Hongkai， WANG Weilin. Design of ligh?ting control system of airport terminal based on PLC network and configuration technology [J]. Microcomputer and its applications， 2017（16）： 102?105.

[9] 張玉杰，吳安安.基于TCP/IP及DALI總線技術的智能照明控制系統[J].電視技術，2015，39（22）：23?26.

ZHANG Yujie， WU Anan. Intelligent lighting control system based on TCP/IP and DALI bus technology [J]. Television technology， 2015， 39（22）： 23?26.

[10] 戴廣年，戴保靈.DALI總線在智能燈光控制中的應用[J].江蘇建筑，2016（6）：113?115.

DAI Guangnian， DAI Baoling. Application of DALI bus in intelligent lighting control [J]. Jiangsu architecture， 2016（6）： 113?115.

[11] 梁靄明，李軍.DALI技術在酒店客房照明控制系統中的應用[J].現代建筑電氣，2016，7（12）：38?41.

LIANG Aiming， LI Jun. Application of DALI technology in hotel room lighting control system [J]. Modern architecture electric， 2016， 7（12）： 38?41.

[12] 梁人杰.智能照明控制技術發展現狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25（2）：15?26.

LIANG Renjie. Development status and future prospect of intelligent lighting control technology [J]. Journal of illumination engineering technology， 2014， 25（2）： 15?26.

[13] 郭崢.機場航站樓大空間照明淺析[J].科技經濟導刊，2017（22）：40.

GUO Zheng. Analysis of large space lighting airport terminal [J]. Science and technology economic guide， 2017（22）： 40.

[14] 王秋香.航站樓大空間照明設計和實施的剖析[J].現代建筑電氣，2016，7（12）：29?33.

WANG Qiuxiang. Analysis of design and implementation of large space lighting in terminal [J]. Modern architecture electric， 2016， 7（12）： 29?33.

[15] 李海東.機場智能照明控制方案探討[C]//2013中國（國際）建筑電氣節能技術論壇.深圳：中國建筑學會，2013：51?55.

LI Haidong. Discussion on control scheme of airport intelligent lighting [C]// 2013 China Architecture Electric Energy Saving Forum. Shenzhen： The Architectural Society of China， 2013： 51?55.