基于物聯(lián)網技術的智能照明控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

沈 喆

（山西晉中理工學院，山西 晉中 030600）

智能照明控制系統(tǒng)廣泛應用于舞臺燈光、智能家居照明、工廠照明系統(tǒng)等場景中，是人工智能時代下的重要技術進步。當前使用的照明控制系統(tǒng)主要包括硬件控制與軟件控制[1]。硬件控制通過硬件設備連接形成信號通路，人工控制燈光變化；軟件控制則使用計算機軟件控制，但大多數軟件均需要操作設備與照明設備的硬件連接，由軟件控制硬件，實現(xiàn)控制照明的目標[2]。本研究提出基于物聯(lián)網技術的智能照明控制系統(tǒng)，使用移動端APP作為控制平臺，真正實現(xiàn)遠程控制照明系統(tǒng)的核心功能，能有效解決場地與設備限制，提升照明控制效果與效率[3]。

1 智能照明控制系統(tǒng)架構設計

基于物聯(lián)網技術的智能照明控制系統(tǒng)的主要功能包括遠程開關控制、遠程光線調節(jié)、能源消耗監(jiān)控、故障預警與處理4個模塊。系統(tǒng)包括多個互聯(lián)的傳感器和執(zhí)行器，將傳感器收集的信息匯總給中央處理單元，中央處理單元智能化處理后發(fā)送信號給執(zhí)行器，實現(xiàn)智能照明控制。系統(tǒng)功能架構設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構設計圖

系統(tǒng)允許用戶通過APP遠程控制照明設備的開關。當用戶發(fā)出指令時，命令借助互聯(lián)網傳輸至中央控制系統(tǒng)，遠程控制燈光開關[2]。此功能適用于所有系統(tǒng)內的照明設備，可打破距離的限制，實現(xiàn)遠程智能控制。遠程開關控制模塊包括用戶界面、命令傳輸和控制邏輯功能。遠程光線調節(jié)通過內置環(huán)境光傳感器實時監(jiān)測室內外光線條件，將數據反饋至中央處理器。用戶可根據使用需求、使用APP調整光線強度。系統(tǒng)處理器接收到用戶設置的光線強度信號后，自動調整對應照明器具至指定亮度。該系統(tǒng)包括光線感應、光線中央處理、命令執(zhí)行3個核心功能。能源消耗監(jiān)控功能基于各照明點安裝的能耗監(jiān)測傳感器，用傳感器收集燈具能源使用數據，將信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)。系統(tǒng)匯總分析信息數據，生成能源消耗簡報，幫助用戶監(jiān)控能源使用情況。能源消耗監(jiān)控模塊的主要功能包括能耗數據采集、云端數據同步處理、用戶交互反饋3項基本功能。實時監(jiān)測照明設備性能數據能幫助系統(tǒng)預測設備故障、處理設備故障。系統(tǒng)可利用機器學習算法分析歷史運行數據、預測和識別潛在的設備故障風險。一旦系統(tǒng)檢測到設備異常或性能下降，立即向用戶發(fā)送警告信息，提供故障處理預案，如果用戶提前有相關設置，則會智能化調度維修與處理功能。故障預警與處理模塊包括故障檢測與預警、遠程故障診斷、智能化故障處理3個主要功能。

2 智能照明控制系統(tǒng)APP程序實現(xiàn)

2.1 移動端APP開發(fā)

本研究采用支持迭代開發(fā)和持續(xù)集成的敏捷開發(fā)模式，分析了功能需求和技術規(guī)格。UI組件設計遵循了Android和iOS平臺的設計指南，提升不同分辨率屏幕的適配性。前端技術主要使用React Native框架，系統(tǒng)定義了send Command To Light函數，將命令封裝為JSON消息并發(fā)布到MQTT主題上，根據燈具唯一標識符確保命令到設備的傳輸準確度[4]。移動端操作界面如圖2所示。

圖2 移動端APP界面圖

2.2 中央處理器功能實現(xiàn)

中央處理器的開發(fā)選擇ARM Cortex微控制器，該控制器具有較強的計算能力、內存資源和網絡接口，支持高并發(fā)的數據處理和設備控制任務。中央處理器固件使用C++語言編程，構建實時操作系統(tǒng)（RTOS）環(huán)境，提供任務調度、時間管理和中斷處理等功能。中央處理器上的主要控制邏輯是依靠Light Control Task無限循環(huán)函數，不斷檢查用戶命令和傳感器更新，利用RTOS的任務調度機制來實現(xiàn)多任務處理，以響應外部事件和內部狀態(tài)變化。Process Command函數負責解析和執(zhí)行來自用戶的開關燈光和調節(jié)亮度等操作命令，執(zhí)行后通過Update Cloud Status函數更新云端服務器上的狀態(tài)信息。Update Light Status函數負責根據傳感器收集的環(huán)境數據動態(tài)調整照明設備的狀態(tài)，根據環(huán)境亮度和運動檢測結果自動開關燈光。中央處理器處理功能的實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 中央處理器處理功能

3 系統(tǒng)測試

3.1 數據采集與預處理

為測試系統(tǒng)性能，采集了不同使用環(huán)境下照明設備的5 012條數據樣本，處理前的原數據格式如表1所示。

表1 數據樣本格式

數據預處理同步了傳感器數據時間并進行了數據清洗，移除了明顯異常值，將燈具的開關狀態(tài)編碼為“開”為1、“關”為0，將燈具調光參數按照實際調光比例做歸一化處理。為確保所有數據均顯示了照明設備性能，篩出開關狀態(tài)編碼為0的數據，只用作遠程開關控制測試中的開燈測試，將剩余開燈數據用于其他測試。

3.2 測試結果

測試圍繞系統(tǒng)四大核心功能，即遠程開關控制、遠程光線調節(jié)、能源消耗監(jiān)控、故障預警與處理設計功能，分別測試遠程控制響應時間、光線調節(jié)準確性、能源消耗優(yōu)化率和故障預警準確率。結果如表2所示。

表2 測試結果表

由表2可知，系統(tǒng)核心功能基本實現(xiàn)，能夠有效執(zhí)行遠程控制，具有較好的光線調節(jié)準確性和能源消耗監(jiān)控能力。故障預警系統(tǒng)表現(xiàn)出較高準確率，系統(tǒng)可靠性較高，適用于智能家居及辦公環(huán)境。

4 結論

綜上所述，本系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點是將系統(tǒng)控制功能由硬件控制轉變?yōu)橛删W絡遠程控制，技術人員只需要使用手機移動端APP便能宏觀控制整個照明系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)操作與運維的便捷性。本研究設計了一套基于物聯(lián)網技術的智能照明控制系統(tǒng)，測試效果表明系統(tǒng)提升了用戶操作的便捷性，增強了后端處理的可擴展性。物聯(lián)網技術的應用讓本系統(tǒng)具備了設備能耗報告等大數據分析功能，幫助用戶管理設備能源消耗，擴展了系統(tǒng)功能。