智能家居節能照明系統的原理及設計

潘秀玉 孟瑜 李歡 王亞杰

摘要：智能照明系統是由多種傳感器結合的智能化家居控制系統方式，可判斷該家庭區域對照明系統的實用需求，降低不必要的能源浪費。智能家居節能照明系統是通過編程控制人體感應模塊，并結合光照檢測模塊實現“人走燈滅”“窗簾聯動”的效果，再結合多種業務邏輯、生活場景多維度降低生活中非必要性的照明能源浪費，進而達到節約能源設計目標。

關鍵詞：智能家居;節能照明;智能照明控制;多傳感器技術

一、節能照明控制系統優勢

隨著物聯網技術的不斷發展，節能照明控制系統已成為現階段研究的新熱點。在智能家居組成單元中，較為流行且具有突出性優勢-“便捷性”的部分就是智能照明控制系統。傳統的照明方式作用較為單一，在現今社會生活水平提升、人們擁有更高生活追求的背景下，逐漸向更加人性化、節能環保和安全的智能家居照明控制系統轉變。與普通的照明控制系統相比較，智能照明控制系統在節能減排上的影響比較明顯。因此，我們現在需要一種功能多樣、操作安全、成本低廉、管理便捷、安裝簡潔，并且具有節能化、人性化以及環?；卣鞯闹悄苷彰骺刂葡到y。

智能燈光控制器能夠通過準確測算出在特定空間中，相應時段的照明條件，通過自動或手動調節照明的亮度，在最大限度上實現了有效節能的訴求。這些智能的調節，將會合理使用室內外自然光資源，把照明量調節到合理的數值，從而既保證照明充足，又實現了節能保護。

二、節能照明控制系統原理

智能照明控制系統是根據現代的微電子技術、傳感器技術及網絡技術、根據用戶設定需求和外部環境、實現遠程控制的一種照明系統。根據設計方案可以分成開環控制，閉環控制和緊急照明控制系統。

（一）開環控制

1.定時控制

可以手動操作定時器，控制照明開關以及時間長短。計時結束后自動關閉。同時應用超聲波測距感應器，可以做到人走燈滅，達到節約能源的目的。

2.區域場景控制

在智能照明控制系統中，電路電平通常是按照實際使用條件以及其他原因進行預編程的。照明裝置可以獨立布置，也可以沿線路布置。各種電路或器件都能夠產生不同的光度等級。這種光度等級能夠保存為“場景”，看起來是房間或地區的完整外表。只要將情景設定好，使用在墻上的控制面板或遙控器就能夠很簡單地點亮情景，同時也能夠使用定時器、光學感應器或活動區域檢測器自行地點亮情景。當某個新的情景被選定時，亮度會以預設的速度變化。區域場景控制可進行各種燈光效果，以營造視覺觀感。

（二）閉環控制

為能充分利用自然光，探測器通過測量室內光照系數計算可以得出每一個光點的水平照度，并針對不同的水平光照產生了相應的光度調節燈，室外自然光作為外部日照因素，根據光照的變化始終保持自由設定值。

（三）緊急照明控制系統

緊急照明系統控制系統，是指智能燈光控制器在某個地方進行對應急照明系統的監控。在正常狀況下，自動調節器能夠調節區域表面的燈光和控制，它和調節正常工作中的照明設備的方式一致。在緊急情況下，可以自行放棄對各區域內進行應急工作的路燈的調光控制，在事故狀況下的應急照明可達百分之一百。

三、智能家居節能照明系統關鍵技術

智能照明控制技術主要由控制技術，傳感器技術，無線數據傳輸和網絡通信技術構成，涉及的關鍵問題為智能控制建模和多傳感器的合理設計，智能家居照明系統將涉及多種傳感器技術，主要涵蓋內容如下：

（一）人體探測器

主要組成部分為熱電元件、超聲波傳感器、移動探測器、電流-電壓變換器，熱電元件檢測配合超聲波傳感器、動作傳感器感知人體的存在或運動，電流-電壓傳感器將熱傳導元件輸出的電流信號轉換成電壓信號。然后電壓波形分析就會輸出檢測信號。

（二）光照度傳感器

通過光照強度自動檢測系統來設定當前的光線狀態，也可以合理的調節光強的范圍。

同時，利用通信技術等，構建出一個無線控制系統，通過運行預先設定的節能控制程序，讓該系統智能判斷環境中人們對光照明的實際需求，未來還可以增加語音智能控制系統，實現真正的智能化照明控制。

四、智能家居節能照明系統基本結構

智能家居節能照明系統是通過多種傳感器在家庭生活空間內的合理設計，實現動態感知生活照明的使用需求，規避非必要的照明能源消耗。其基本結構如下所述：通過人體傳感器確認區域內人員的存在，避免不必要的能源消耗，通過照度傳感器+人體傳感器+可調節照明系統，在保持舒適的照明使用同時，有效調節房間內照明亮度的動態調節，實現非最大化照明能源使用。通過人體傳感器與生活空間場景、生活空間區域規劃相結合，合理控制區域照明需求，降低可控區域非必要照明的能源消耗?？傮w概括大約分為控制面板、人體感應模塊、光照檢測模塊這三個模塊。

圖1為智能照明控制系統數碼顯示器電路，控制面板由steam32單片機（精英版）以及模數轉換芯片構成。人體感應模塊為超聲波測距感應器。

光檢測模塊是運算放大器和感光二極管組成，當連接光二極管的開端和盡頭，電流與光按比例計算成正比，因為電流很小，所以被運算放大器放大后，再通過A/D變換為輸入電壓。模擬-數字轉換芯片利用ADC0831接收運算放大器處理的光照度的檢測值，然后傳送到MCU進行數據處理。它將被一個單片微計算機控制，在LED顯示屏上顯示電壓對應的亮度，控制8個發光二極管的開關。輸入回路由控制面板組成，控制命令包括切換場景和休假模式。電源供應電路主要是將AC電源供應轉換為控制器、每個芯片的工作電源供應和基準電壓。顯示電路完成時間、場景、季節和其他功能。輸出電路由固態繼電器或調光器和“燈光”電路組成，以完成日光燈和白熾燈的照明。目前，PWM dimming技術被用于實現燈盞的照明。與此同時，通過加入人體感應模塊，來實現“人走燈滅”的智能控制功能。

智能家居節能照明系統基于以上相關技術原理以及“照度傳感器+人體傳感器+可調節照明系統”結構可實現調光、模擬光環境、與窗簾聯動控制等功能。這些功能不但可借助對光環境的合理調控而達到自主完成，還同時具備了通信和可擴展性的功能。

五、智能家居節能照明系統的應用前景

智能照明控制系統可以讓照明系統完全自動運行。此系統可以預設一些“狀態”，這些狀態會隨著時間的推移自動切換。例如，該系統以由紅外線探測器與傳感器相結合的方式，來判斷照明系統區域范圍，是否有人存在進而判斷是否關閉該照明系統，起到節約能源的作用。并且，利用通信技術，構建出一個無線控制系統，通過運行預先編寫的程序，讓該系統達到“人走燈滅”的效果。系統在控制燈熄滅時，會自動延長時間，當人離開達到一定時限，系統自動啟動關閉功能，起到節能效果。通過上述相關照明節能的組合手段，實現規模效應后，將極大提升照明系統的智能節能目標，從而將國家對節約能源的長期目標提供切實可行的解決方案。

六、結語

使用節能型燈光控制系統后，能夠對燈具產品實現更加準確的管理和合理的調控，進一步提升燈具控制系統的水平。智能家居的節能照明管理系統還將配有更先進的管理設備，在管理過程中，該軟件不但能夠對相應的設備參數和操作數據進行管理，而且還能夠給使用者提供更多的參考數據。同時節電照明管理系統還可以預測分析，如照明系統是否具有短路故障的危險性，不僅減少了重大安全事故的發生率，而且節省了有效時間，降低了維護和維修的難度。

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論文須注明：本論文得到長春工程學院大學生創新創業項目“智能家居節能照明系統”資助，項目編號 S202111437074。

作者簡介：

潘秀玉（2002-），女，漢族，吉林長春，長春工程學院能源動力工程學院，建筑電氣與智能化專業本科生。

李歡（1999-），男，漢族，吉林長春，長春工程學院電氣與信息工程學院，電氣工程及其自動化專業本科生。

孟瑜（1983-），女（漢族），吉林長春，講師，博士研究生，主要研究方向：從事光學、建筑電氣與智能化研究工作。