基于物聯網樓房照明系統設計和實現

耿 達

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基于物聯網樓房照明系統設計和實現

耿 達

（上海理工大學，上海 200093）

能源成為社會的熱點話題，如何將能源資源進行合理化配置成為技術的鍵所在。物聯網技術科技的應用為人們的生活提供了技術保障，本文基于目前的熱點領域結合專業方向，設計和實現了基于物聯網技術樓宇照明控制系統，以希實現智能化控制與自動化調控，確保節約成本的同時，提升照明質量與效率。

物聯網技術；樓房照明系統；資源；系統設計

0 引言

照明系統受傳統地域差異、時間、環境等差異的影響，導致原始的照明方式無法發揮全部功能[1]，本文基于傳統照明方式上結合物聯網技術對樓房照明系統進行設計，確保照明系統擁有智能化、自動化、高效性、普遍適用性等諸多性能，從而滿足當今人們對于新科技與該系統的需求與應用。

1 系統相關技術概述

1.1 物聯網

對于物聯網，通常的解釋是將所有的物品全部與互聯網相連接，物品借助安裝的紅外感應、RFID 以及GPS定位等裝置，通過不同的傳感設備，實現信息的實時收集，主要包括監控、連接與互動物體的相關信息，利用移動網絡或其他手段使之與互聯網相連接，進而組成更加智能化的大型網絡。物聯網的建設主要為了實現物品與物品、物品與人、全部物品與互聯網之間的連接，使得監控與管理工作更加簡便，可以通過電腦、手機等智能終端實現對物體的智能化監控，對重要信息的收集與分析。物聯網利用智能感知和識別技術同之前的網絡聯系起來，被稱之為全球信息產業發展過程中的第三次革命，前兩次分別是計算機和互聯網技術。

到目前為止，可以根據功能的不同將物聯網的結構分為三個層次，這三個層次分別是感知層，網絡層和應用層。感知層處于結構的底層，其職能是對數據進行收集；網絡層處于結構的中間層，其主要功能是實現信息的多路傳遞和多路交換；應用層處于結構頂層，以底層數據為基礎實現應用的多樣化，同時實現對中間層及底層的管理功能。

1.2 ZigBee無線通信技術

ZigBee是一種新推出的新型無線自組網技術[2]。隨著科技水平的提升，通信行業也在不斷地進步。從有線技術到無線技術，通信行業經歷了巨大的改革。ZigBee技術是以IEEE802.15.4無線標準為基礎研發成功的新型通信技術。在這一技術中包含了四中協議層，分別是物理層，媒體訪問層，網絡層和應用層協議。IEEE802.15.4只針對物理層和媒體訪問層的協議進行了規定。其余的兩種協議是由ZigBee技術聯盟來制定的。除此之外，ZigBee技術聯盟針對網絡層做了標準化處理。在無線監控網絡中，協調器節點最多可以連接255個終端節點，所以說通過這些節點構成的無線監測網絡對路由的數目是沒有限制的。與此同時，ZigBee技術聯盟在此技術上開發出了安全層。這樣一來，對于無線監控網絡系統有著更嚴格的要求。

1.3 LED調光技術

LED稱之為半導體光源，由于其具有諸多優勢，為我國光源研究歷程上重要的突破與里程碑，具有較大的指導意義。以半導體材料為主要機制的固態燈源，即可稱之為LED燈[3]。此外，輔以金屬材料進行密封處理，這類燈具有低壓直流這一特性。若從性能角度進行分析，LED具有較好的發光性能、低耗能性能、單色性能，同時還具有色差調控、環保耐用、安全可靠、周期長等諸多優勢，可應用于生活與生產中。其具體參數為：單管功率0.03-0.06瓦；50-200流明；10萬小時使用時長。值得注意的是，該類燈源為傳統白熾燈耗電量的1%左右，與熒光燈相比也具有較好的性能，因此被廣泛應用。

2 需求性分析

在本文中選擇學校的教學樓進行研究，樓內主要分布著教室、大廳、樓梯、走廊、電梯間、衛生間、閱覽室等多種場合，每種場合對照明都有著各自的需求。教室中選擇40 W的熒光燈進行照明，利用手動開關對其工作狀態進行控制。走廊中同樣安裝有手動控制的熒光燈。如果樓內的照明設備出現故障，需要利用人工進行排查，從而導致走廊燈長期損壞無人維修的情況時常發生，照明管理十分混亂[4]。除此之外，有時候自習室沒有人、光線充足或夜間無人的情況下也會亮著燈。

2.1 經濟可行性

在此次設計的照明系統中，投入比較多的有兩方面，一是針對系統決策方案進行細致分析，得出其中的缺陷，從而進一步對其進行改進。此外在對系統進行開發的時候需要大量掌握相關專業知識與技術的人才，所以需要比較大的人力投資。另一方面是硬件部分需要相對較多的投入。雖然前期需要比較多的投資，但系統一旦開完完成進行應用就會帶來更多的利益，因此，可以說以物聯網技術為基礎開發出的照明控制系統具有非常高的現實價值，除此之外，在優化模型基礎上得到的照明控制方案對今后照明的智能化發展提供非常有價值的參考[5]。

2.2 技術可行性

硬件上，使用CC2530芯片對無線傳感網絡進行控制，LED光照調節模塊選擇使用PWM；軟件上，利用IAR對系統進行設計，使用MySQL數據庫軟件，網頁端的數據查詢功能利用EasyUI框架進行設計。上述提到的這些內容，在實際應用中都非常常見，所以可以得出結論，此系統的開發工作從技術角度來分析是可行的。

3 系統設計及實現過程

3.1 系統設計要求

教學樓中的照明系統的主要職責就是為教室提供照明，除了上課以外，教室更大的用途就是為學生自習提供場所，所以說教室內的人員數量一般比較多，并且流動性大，因此其對照明系統有著更高的需求，不僅要起到照明的效果，還要為老師和學生的活動提供方便，與此同時還要盡可能的降低資源消耗，起到節能環保的目的。

3.2 系統總體設計

將用于測試光照度等參數的與照明相關的一些列傳感器安裝在建筑物內部，無線傳感網就是由這些設備構建完成的，實現“感知-決策-照明”三步一體的控制體系[6]。對燈具照明起到輔助調控的目的。

按照功能上的差異可以將照明系統劃分為四個部分，分別是數據收集、數據顯示、燈具控制和服務器模塊。

3.3 硬件設計

（1）節點結構

系統軟件為照明系統的關鍵模塊與核心基礎，其主要功能是控制照明的時間與開關，主要借助多種類型的傳感器完成監測本文的主要研究對象為傳感器與燈具兩部分，通過對節點的合理改良實現提升照明性能這一目標。前者的主要組成部分有：單片機、ZigBee協議的發射裝置、存儲裝置等，其優勢與適用性較為突出[7]，如：覆蓋性較廣、信號穩定且精準、消耗功率低、簡單便捷、維修率低等，下圖1為其具體組成圖示。

圖1 傳感器硬件結構圖

（2）通信接口

1）傳感器、燈具的控制裝置與開關等

傳感器、燈具的控制裝置與開關等均需符合嚴格的質量要求與規范，即ZigBee相關的協議，且采用國際規定的標準頻率2.4 GHz進行傳輸[8]。

2）網關與相關的服務模塊

此模塊需同時擁有無線傳輸裝置與網絡連接裝置，并與校園網進行實時的數據交換與更新，同時終端服務器可對此進行更改與調控。

（3）節點設計

具體設計方案如圖2，教室鄰近的走廊處安裝兩個傳感器，此傳感器屬于人體熱釋類型，主要作用是辨別門口處是否存在相關人員；此外，門內也安裝同類型傳感器兩個，作用基本一致。內部的燈具均屬于LED類型，固定于天花板各處，經實際測算與設計改進，確定此類燈具的規格選取20瓦最為合理，依據教師結構與照明需要，燈距均為3米。同時，天花板需設立相應的光照類型的傳感器，確保其具有較好的精度與靈敏度，可對燈具的狀態進行有效的監測與反饋，因此需依據教室的結構與實際面積進行設計，此外，傳感器的數量應處于合理范圍內，既可實現感光的有效性，又避免了人力物力的浪費。

圖2 節點設計示意圖

3.4 系統軟件設計

該軟件主要使用B/S結構[9]完成運行工作，服務器的功能較為齊全，包括：存儲與輸入、識別、提供方案等，同時可接受用戶的請求，并輸出較為直觀的圖表數據。

（1）照明設計

具體流程與步驟如下所述：一是數據的讀取與分類，通過對室內室外的傳感器數據的匯總，得出室內有無相關人員；二是照明的調控與改善，將室內人員分布信息進行分析，通過調節燈具的狀態使照明方案更為合理化；三是檢驗與校正，確保指令的有效執行與落實。

圖3 照明設計

（2）節點管理模塊設計

節點管理模塊面向的使用對象主要是管理人員，為他們提供對傳感器和節點照明的管理操作，主要的針對節點進行添加、刪除、維護和查找等操作。除此之外，還能夠對系統的照明能耗情況進行統計和分析，并對傳感器和燈光節點進行不間斷的監測，如果出現問題時，就會及時通知相關的管理人員，同時對數據庫中表現不正常的節點進行刷新。

（3）數據傳輸模塊設計

該模塊的主要作用是為系統和節點提供信息傳遞的橋梁[10]，具體來說可以將其分為三個數據交互功能，一是同傳感器進行溝通，也就是從傳感器上獲得相應的信息；二是將系統命令傳遞給燈具控制 設備；三是為終端和協調器兩種節點提供信息傳輸路徑。

4 結論

在當前提倡可持續發展發展時代，能源稱為一項重要課題，如何合理地運用配置能源是技術上的關鍵所在。隨著科技的發展，物聯網技術得到廣泛的運用[11]。本文正是基于物聯網技術，對如何完善傳統的樓房照明系統，使其盡可能發揮全部功能進行技術分析。在本文中主要針對物聯網相關的ZigBee技術、LED照明及調光技術進行了較為全面的學習以物聯網技術為基礎對整個系統進行設計和開發。利用ZigBee技術構建無線傳感網，將收集到的全部數據傳遞給服務器，依照設定好的算法制定出相應的照明方案，并及時進行響應。

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Design and Implementation of Building Lighting System Based on Internet of Things

GENG Da

(University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Energy has become a hot topic in society. How to rationalize the allocation of energy resources has become the key of technology. The application of Internet of Things technology and technology provides technical guarantee for people's life. Based on the current hot areas and professional direction, this paper designs and implements a building lighting control system based on Internet of Things technology, in order to realize intelligent control and automatic control, ensure cost savings, and improve lighting quality and efficiency.

Internet of things technology; Building lighting system; Resources; System design

TP391.44

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.050

耿達(1993-)，男，碩士學歷，單位：上海理工大學機械工程學院。

耿達. 基于物聯網樓房照明系統設計和實現[J]. 軟件，2018，39（12）：222-225