节能智慧照明系统设计与实现

节能智慧照明系统设计与实现

王文冬 1 ，颜克文 2

1.杭州和顺建设有限公司 浙江杭州 310052

2.杭州诺捷光电技术有限公司 浙江杭州 310052

摘要：伴随着市场经济的不断发展和科学技术的全面进步，人们对于生活质量的要求也在提高，人工智能化的照明系统体系受到了社会各界的广泛关注，为了进一步提高其体验服务质量，要整合系统运行要点，满足舒适性要求。本文分析了节能智慧照明系统的市场需求和主要技术，并从数据采集、数据传输、数据处理以及数据库等模块设计入手，全面分析了系统的设计和实现过程。

关键词：节能智慧照明系统；市场需求；技术；设计；实现

在智慧照明系统设计研发和应用过程中，要秉持节能环保、自动、高效的理念，融合先进的新型智能技术体系，在满足人们生活需求的基础上，调整灯管的具体亮度和应用能耗，从而充分践行节能降耗的社会发展要求。

一、节能智慧照明系统的市场需求

要想系统分析节能智慧照明系统的市场需求，就要从经济可行性和市场可行性两个层面分析，从而评估其可行性需求，为此，建立有效且匹配的运维管理方案，最大程度上提高系统的综合应用效率。

第一，经济可行性。在节能智慧照明系统设计过程中，配合技术层面分析硬件系统、经济开发风险等，系统应用的传感器、电源开关、实验用PC机采购成本较低，因此，试验硬件的资金投入不高，加之系统应用的开发软件为 数据库等，均为免费软件。所以，节能智慧照明系统的经济开发性较高。

第二，市场可行性。科学技术的不断发展和进步，使得人们的生活水平也在不断提高，对于智慧照明系统的需求越来越大，尤其是一些大型地下车库，传统的照明系统难免会造成较为严重的资源浪费，利用智慧照明系统采集人体温度数据后确定人员和灯管距离完成智能判断，具有重要的节能降耗价值，能最大化提升安全性、功能性和能耗管理效果。所以，节能智慧照明系统具有较好的市场可行性。

综上所述，节能智慧照明系统的开发具有较大的市场潜力^[1]。

二、节能智慧照明系统主要技术

在节能智慧照明系统应用过程中，要结合实际应用环境落实对应的技术方案，确保能秉持系统开发的原则，选取匹配的数据库和语言编写程序，满足数据传输通信的基本要求。

（一）基础架构-C/S技术

C/S技术能在发挥运算性能的基础上，保证客户端获取的数据和请求得到及时应答，针对核心业务和非核心业务建立对应匹配的逻辑处理模块。

1） 模块，实现用户和系统的实时性交互连接，满足业务处理要求，并且，还能建立用户系统和服务器的交互处理，将对应的用户请求、处理结果呈交到服务器，确保用户能第一时间获取对应的信息结果。

2） 模块，是整个C/S技术处理核心业务的模块，能对客户端提供的数据建立服务和逻辑处理模块，由对应的操作系统完成处理工作。

对应的硬件环境建立在专用网络基础上，借助客户端实现浏览、查询以及数据输入，配置对应的文件模式。与此同时，借助C/S技术还能提升权限的合理性，优化存储的安全水平。

（二） 数据库

对于整个系统而言， 数据库就是底层保障机制，能对系统数据予以恒定的处理和存储， 应用在关系型数据分析方面，利用多线程处理和分布式系统最大程度上提高数据应用效率。并且， 是微软开发的对应软件，因此在微软旗下C/S系统框架内具有较好的支持性和应用数据处理性^[2]。

（三）ZigBee技术

近几年，针对节能系统的研究不能忽略ZigBee技术的价值，能建立低能耗系统，并且大幅度降低成本和网络局限性，在整合双向无线网络通信技术体系的同时，确保数据传输的合理性和规范性。值得一提的是，ZigBee技术能配合无线网络技术运行结构，应用在自动化控制和智能化处理方面优势更加明显。

图1：ZigBee技术协议栈示意图

三、节能智慧照明系统设计

在明确节能智慧照明系统应用要求的基础上，就要配合不同模块完成数据传输和信号的实时性控制，从而有效实现应用目标，为系统综合运行提供保障，满足实际应用需求。

（一）系统整体框架设计

为了凸显节能智慧照明系统的应用价值，在整体框架设计工序中，要满足系统控制的便捷性和运输符负荷处理的合理性，从而将对应处理体系作为关键，保证控制端、网关节点处理体系以及无线传输网络模块处理体系都能发挥其实际作用，最大程度上维持运行的综合效果^[3]。

第一，利用红外传感器完成监控区域内信息的采集，主要是借助无线通信模块建立信息传输通道，并且保证服务器端在数据控制、数据处理以及数据分析方面都能发挥作用。

第二，建立数据反馈机制，将差异化时间节点内的数据集中收录在 数据库内，并且建立对应匹配的备份模式，利用服务器端采集对应的温度数据，以此作为依据确保距离测算的合理性，从而保证能结合距离对灯照的亮度予以控制。

第三，配合ZigBee技术完成信息的处理，并且将汇总信息都直接反馈到灯管的控制板内，相关管理人员就能结合系统功能完成可视化操作界面的信息读取，进一步查询和控制显示功能，保证节能智慧照明系统运行的综合效果

^[4]。

（二）各模块设计

1.数据采集控制模块

利用对应的设备完成数据的采集和数据的汇总，应用红外测温传感器，在具体选型工作中，要确保温度传感器对系统信息和数据采集的敏感性，确保应用场所和传感器相匹配，从而满足性能指标和工作条件要求。值得一提的是，红外测温传感器在实行信息监测的过程中，也要对光源温度等因素予以考量，保证其安装的位置能尽量远离灯管最高温区域，减少影响的同时，确保灯管和灯管之间的距离能控制在规定范围内，一般而言，亮灯之间的横向距离约为2m，而对应的纵向距离约为1.8m^[5]。

另外，要对传感器的采样率予以优选，因为要配合ZigBee技术，实际的通信时延为15ms，因此，要配合控制系统实现信息的回传，往返两次的传输时延为30ms。基于此，在红外测温传感器采样率设置为50Hz时，要保证1s内就能采集50次温度数据，间隔20ms采集的温度数据配合通信时延就是50ms。综上所述，若是行人以1m/s的速度行进，控制信号发送要在人走出0.05m的位置时进行传递。

除此之外，借助红外测温传感器获取的温度数值也能计算出灯管和行人之间的距离。测试数据如下：1）距离0.25m，三次温度测试数据为36.2℃、36.5℃、36.8℃，平均温度为36.5℃，预测距离为0.307m；2）距离0.50m，三次温度测试数据为35.2℃、35.4℃、35.3℃，平均温度为35.3℃，预测距离为0.466m；3）距离1.00m，三次温度测试数据为30.5℃、30.9℃、30.4℃，平均温度为30.6℃，预测距离为0.960m；4）距离1.50m，三次温度测试数据为24.7℃、25.1℃、24.9℃，平均温度为24.9℃，预测距离为1.546m；5）距离2.00m，三次温度测试数据为17.6℃、17.9℃、18.2℃，平均温度为17.9℃，预测距离为1.974m。结合数据可知，红外传感器采集的温度数据不断降低，对应的灯和行人之间的距离则在拉长，呈现出线性比例关系，获得公式 ，其中，dis表示的是人和传感器之间的距离数值、tem表示的是传感器测定的人体温度^[6]。

2.数据传输模块

主要是依据ZigBee协议和TCP/IP结合的处理方式，有效完成控制中心协议接入网关节点的方式，然后集中将节点依据协议发送到不同的控制节点，保证能及时对灯管的开关和亮度予以控制，并且将信息集中回传到系统控制中心，满足数据处理和显示功能要求。主要组成部分：

1）功能节点层，不同的无线传感器网络模式，完成1-n的模式处理结构^[7]。

2）汇聚节点层，利用不同的汇聚节点保证对应信息处理的完整性。

3）网关节点，配合ZigBee传感器网络建立对应匹配的应用模式。

4）服务层，最终的控制系统层。

3.数据处理模块

在完成数据汇总和传输工作后，就要利用数据处理模块对数据予以综合管控，判定灯管和人之间距离参数后依据实际情况最终确定灯照的实际亮度，并且将数据集中保存在数据库中，为控制灯照时长和亮度提供保障。一般而言，要依据光照的实际情况设定为不同的档位，本设计系统为5个档位，具体情况如下：1）第一档，距离为0到0.5m，4个灯全亮，光照强度为100%；2）第二档，距离为0.5m到1.0m，3个灯全亮，光照强度为75%；3）第三档，距离为1.0m到1.5m，2个灯全亮，光照强度为50%；4）第四档，距离为1.5m到2.0m，1个灯全亮，光照强度为25%；5）第五档，距离为2m以上，无亮灯^[8]。

4.数据库模块

应用 数据库技术，全面分析实体、属性之间的关联度，确保对应部分能按照功能要求落实具体工作，从而维持数据库分析的合理性。

第一，管理员实体。按照姓名、年龄、密码、账户名称完成信息认证。例如，管理员登录账号的字段为User_-ID，字段类型为int^[9]。

第二，照明设备实体。主要是对照明设备的相应规格尺寸以及照明状态予以信息认证。例如，照明设备灯管亮度字段为Light_-intensity，字段类型为int。

第三，传感器设备实体。依旧是传感器设备的规格尺寸等基础信息，以及对应的采集温度和状态。例如，传感器设备具体位置的字段为Sensor_-address，字段类型为varchar。

四、节能智慧照明系统实现

在完成技术匹配工序后，要结合系统应用要求落实对应的实现过程，确保数据分析和处理工作的最优化，从而一定程度上发挥节能智慧照明系统应用优势，提升系统综合控制水平。与此同时，建立贴合技术设计和实现的过程控制体系，完善模块形式设计单元和采集控制模块单元，有效结合界面要求以及逻辑流程实现匹配的功能内容，维护通信合理性和规范性。

（一）节能智慧照明系统开发环境

具体的开发语言设定为C#，并且结合系统应用处理流程维持对应控制效果，按照标准设计要素提升对应的操作维持效率。对应的开发工具为Visual Studio2019，环境位置为WIN10系统。

（二）节能智慧照明系统登录界面

在实际系统应用环境基础上，为了提升其运行的安全性和可靠性，要配合登录要求建立完整的界面管理模式，有效对使用流程和权限予以限制，从而一定程度上确保系统用户获得管理员的授权许可。在打开软件运行界面后能进入登录界面，并利用账户和密码登录，完成后续操作。

例如，前台页面获取账号和密码，借助实例化连接对象的程序创建SQL命令执行对象，写入SQL命令并执行，利用 将对应的结果放置在数据适配器中获得元组数，进入登录成功界面^[10]。

（三）节能智慧照明系统数据采集和控制模块

利用传感器采集获取的数据完成控制工作，将其传输到系统并有效保存，维持数据库中信息的完整性和合理性，借助可视化控制界面集中查询对应设备的应用状态。例如，红外测温传感器检测到对应的温度数据为29.1℃，就能将获得的控制信息集中汇总在控制器内，以保证数据处理的完整性，在完成计算、分析后，就能得出距离参数为1.372m^[11]。

（四）节能智慧照明系统数据传输模块

在数据传输工作之前，要配合通信协议完善实体通讯，有效建立交互的规则和约束机制，确保能在指定数据单元格式的基础上，完成信息单元的传输和信息时序。要配合通信协议维持无线照明系统控制流程，保证能对单一组分予以及时操作和信息传达。主要流程为“开始读取配置参数-发起对应连接-连接控制系统-判定系统端是否获得反馈信息-更新控制系统-发送对应控制命令-获取结果-结束操作”。

另外，要结合ZigBee技术建立通信协议，并且依据技术传输数据要求满足多个传感器终端和汇聚节点的应用，并且配合网关节点建立星型网络拓扑结构，按照节点数据信息接收要求满足控制命令的获取和信息的传递。

除此之外，控制中心要结合通信协议要求实现最终的流程。首先，系统初始化模块实现。要在接收控制中心数据后绑定状态，保证照明系统能及时接收相关信息和网络节点回馈信息。其次，绑定设置模块实现。要结合对应的处理流程完成无线传感器物理地址写入照明设备的绑定过程，能为联动控制提供保障。最后，照明设备控制模块实现。结合无线照明系统发送的指令，定时获取场景控制信息，确保能完成照明设备的实时性操作管理^[12]。

（五）节能智慧照明系统数据处理

利用相匹配的传感器采集汇总具体温度数值，结合计算过程分析距离情况，然后形成操作照明亮度状态控制信号的指令，对不同距离内相应照明情况予以实时性控制处理。

（六）系统测试分析

为了保证对应设计的可行性符合要求，匹配对应的实验对服务器、平台以及数据连接稳定性予以测试，反馈系统运行节点存在的问题。利用PC机、开发板、红外传感器建立相应的试验模型，完成串口连接后，PC机能对开发环境中的数据库可视化界面予以处理，在测定温度参数后回传PC机，保证了照明状态控制的合理性。当无线模块进入正常的运行状态，就能借助实时性监测流程对移动情况以及状态参数予以回传，保证了互联的效果，满足稳定性、可靠性应用需求。

结束语：

总而言之，利用系统设计、数据采集设计、数据传输和处理设计等环节优化其综合运行效率，结合控制信息获得光照亮度指令，大大提升了灯具的应用效率，减少能源损耗，满足节能环保的发展需求，节能智慧照明系统具有重要的推广意义和价值，

参考文献：

[1]庞灿.智慧照明及亮化节能提升工程控制系统的研究[J].中国照明电器,2019(2):33-36.

[2]卢伟彬.对智慧城市景观照明节能管理系统的问题探讨[J].电子测试,2018(11):13-14.

[3]张伟刚.基于物联网的高速公路隧道智慧照明节能系统设计[D].湖北:华中师范大学,2017.

[4]卜慎慎,郭黎,李润泽, 等.基于ZigBee控制下的节能智慧照明系统设计与实现[J].电工材料,2020(2):53-56.

[5]王飞文.基于物联网的城市路灯智慧照明控制系统研究[D].江西:南昌航空大学,2018.

[6]王士标.智慧城市背景下照明监控管理系统实现探索[J].建材与装饰,2020(32):160-161.

[7]智慧城市之路灯照明管理系统单灯监控与节能改造项目解决方案--SFT城市照明智能监控与节能管理平台[C].中国照明学会%中国照明电器协会%中国市政工程协会.2017中国道路照明论坛论文集.2017:94-97.

[8]李伟.基于物联网的城市道路智慧照明云管控系统设计与研发[D].安徽:合肥工业大学,2018.

[9]张峰.基于STM32的高校教室智慧照明系统的设计与实现[D].陕西:西安建筑科技大学,2018.

[10]马恩明.城市智慧照明控制系统研究与实现[J].商品与质量,2018(50):75.

[11]乔向伟,范文东.LED太阳能物联网智慧照明系统在预制梁场的应用[J].装饰装修天地,2018(20):116.

[12]王岩,李凤桐.某高校阶梯教室智慧照明节能改造设计[J].低温建筑技术,2020,42(9):116-117,122.