智能家居节能照明系统的原理及设计

潘秀玉 孟瑜 李欢 王亚杰

摘要：智能照明系统是由多种传感器结合的智能化家居控制系统方式，可判断该家庭区域对照明系统的实用需求，降低不必要的能源浪费。智能家居节能照明系统是通过编程控制人体感应模块，并结合光照检测模块实现“人走灯灭”“窗帘联动”的效果，再结合多种业务逻辑、生活场景多维度降低生活中非必要性的照明能源浪费，进而达到节约能源设计目标。

关键词：智能家居;节能照明;智能照明控制;多传感器技术

一、节能照明控制系统优势

随着物联网技术的不断发展，节能照明控制系统已成为现阶段研究的新热点。在智能家居组成单元中，较为流行且具有突出性优势-“便捷性”的部分就是智能照明控制系统。传统的照明方式作用较为单一，在现今社会生活水平提升、人们拥有更高生活追求的背景下，逐渐向更加人性化、节能环保和安全的智能家居照明控制系统转变。与普通的照明控制系统相比较，智能照明控制系统在节能减排上的影响比较明显。因此，我们现在需要一种功能多样、操作安全、成本低廉、管理便捷、安装简洁，并且具有节能化、人性化以及环保化特征的智能照明控制系统。

智能灯光控制器能够通过准确测算出在特定空间中，相应时段的照明条件，通过自动或手动调节照明的亮度，在最大限度上实现了有效节能的诉求。这些智能的调节，将会合理使用室内外自然光资源，把照明量调节到合理的数值，从而既保证照明充足，又实现了节能保护。

二、节能照明控制系统原理

智能照明控制系统是根据现代的微电子技术、传感器技术及网络技术、根据用户设定需求和外部环境、实现远程控制的一种照明系统。根据设计方案可以分成开环控制，闭环控制和紧急照明控制系统。

（一）开环控制

1.定时控制

可以手动操作定时器，控制照明开关以及时间长短。计时结束后自动关闭。同时应用超声波测距感应器，可以做到人走灯灭，达到节约能源的目的。

2.区域场景控制

在智能照明控制系统中，电路电平通常是按照实际使用条件以及其他原因进行预编程的。照明装置可以独立布置，也可以沿線路布置。各种电路或器件都能够产生不同的光度等级。这种光度等级能够保存为“场景”，看起来是房间或地区的完整外表。只要将情景设定好，使用在墙上的控制面板或遥控器就能够很简单地点亮情景，同时也能够使用定时器、光学感应器或活动区域检测器自行地点亮情景。当某个新的情景被选定时，亮度会以预设的速度变化。区域场景控制可进行各种灯光效果，以营造视觉观感。

（二）闭环控制

为能充分利用自然光，探测器通过测量室内光照系数计算可以得出每一个光点的水平照度，并针对不同的水平光照产生了相应的光度调节灯，室外自然光作为外部日照因素，根据光照的变化始终保持自由设定值。

（三）紧急照明控制系统

紧急照明系统控制系统，是指智能灯光控制器在某个地方进行对应急照明系统的监控。在正常状况下，自动调节器能够调节区域表面的灯光和控制，它和调节正常工作中的照明设备的方式一致。在紧急情况下，可以自行放弃对各区域内进行应急工作的路灯的调光控制，在事故状况下的应急照明可达百分之一百。

三、智能家居节能照明系统关键技术

智能照明控制技术主要由控制技术，传感器技术，无线数据传输和网络通信技术构成，涉及的关键问题为智能控制建模和多传感器的合理设计，智能家居照明系统将涉及多种传感器技术，主要涵盖内容如下：

（一）人体探测器

主要组成部分为热电元件、超声波传感器、移动探测器、电流-电压变换器，热电元件检测配合超声波传感器、动作传感器感知人体的存在或运动，电流-电压传感器将热传导元件输出的电流信号转换成电压信号。然后电压波形分析就会输出检测信号。

（二）光照度传感器

通过光照强度自动检测系统来设定当前的光线状态，也可以合理的调节光强的范围。

同时，利用通信技术等，构建出一个无线控制系统，通过运行预先设定的节能控制程序，让该系统智能判断环境中人们对光照明的实际需求，未来还可以增加语音智能控制系统，实现真正的智能化照明控制。

四、智能家居节能照明系统基本结构

智能家居节能照明系统是通过多种传感器在家庭生活空间内的合理设计，实现动态感知生活照明的使用需求，规避非必要的照明能源消耗。其基本结构如下所述：通过人体传感器确认区域内人员的存在，避免不必要的能源消耗，通过照度传感器+人体传感器+可调节照明系统，在保持舒适的照明使用同时，有效调节房间内照明亮度的动态调节，实现非最大化照明能源使用。通过人体传感器与生活空间场景、生活空间区域规划相结合，合理控制区域照明需求，降低可控区域非必要照明的能源消耗。总体概括大约分为控制面板、人体感应模块、光照检测模块这三个模块。

图1为智能照明控制系统数码显示器电路，控制面板由steam32单片机（精英版）以及模数转换芯片构成。人体感应模块为超声波测距感应器。

光检测模块是运算放大器和感光二极管组成，当连接光二极管的开端和尽头，电流与光按比例计算成正比，因为电流很小，所以被运算放大器放大后，再通过A/D变换为输入电压。模拟-数字转换芯片利用ADC0831接收运算放大器处理的光照度的检测值，然后传送到MCU进行数据处理。它将被一个单片微计算机控制，在LED显示屏上显示电压对应的亮度，控制8个发光二极管的开关。输入回路由控制面板组成，控制命令包括切换场景和休假模式。电源供应电路主要是将AC电源供应转换为控制器、每个芯片的工作电源供应和基准电压。显示电路完成时间、场景、季节和其他功能。输出电路由固态继电器或调光器和“灯光”电路组成，以完成日光灯和白炽灯的照明。目前，PWM dimming技术被用于实现灯盏的照明。与此同时，通过加入人体感应模块，来实现“人走灯灭”的智能控制功能。

智能家居节能照明系统基于以上相关技术原理以及“照度传感器+人体传感器+可调节照明系统”结构可实现调光、模拟光环境、与窗帘联动控制等功能。这些功能不但可借助对光环境的合理调控而达到自主完成，还同时具备了通信和可扩展性的功能。

五、智能家居节能照明系统的应用前景

智能照明控制系统可以让照明系统完全自动运行。此系统可以预设一些“状态”，这些状态会随着时间的推移自动切换。例如，该系统以由红外线探测器与传感器相结合的方式，来判断照明系统区域范围，是否有人存在进而判断是否关闭该照明系统，起到节约能源的作用。并且，利用通信技术，构建出一个无线控制系统，通过运行预先编写的程序，让该系统达到“人走灯灭”的效果。系统在控制灯熄灭时，会自动延长时间，当人离开达到一定时限，系统自动启动关闭功能，起到节能效果。通过上述相关照明节能的组合手段，实现规模效应后，将极大提升照明系统的智能节能目标，从而将国家对节约能源的长期目标提供切实可行的解决方案。

六、结语

使用节能型灯光控制系统后，能够对灯具产品实现更加准确的管理和合理的调控，进一步提升灯具控制系统的水平。智能家居的节能照明管理系统还将配有更先进的管理设备，在管理过程中，该软件不但能够对相应的设备参数和操作数据进行管理，而且还能够给使用者提供更多的参考数据。同时节电照明管理系统还可以预测分析，如照明系统是否具有短路故障的危險性，不仅减少了重大安全事故的发生率，而且节省了有效时间，降低了维护和维修的难度。

参考文献：

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论文须注明：本论文得到长春工程学院大学生创新创业项目“智能家居节能照明系统”资助，项目编号 S202111437074。

作者简介：

潘秀玉（2002-），女，汉族，吉林长春，长春工程学院能源动力工程学院，建筑电气与智能化专业本科生。

李欢（1999-），男，汉族，吉林长春，长春工程学院电气与信息工程学院，电气工程及其自动化专业本科生。

孟瑜（1983-），女（汉族），吉林长春，讲师，博士研究生，主要研究方向：从事光学、建筑电气与智能化研究工作。