分类：电子论文 时间：2022-03-12 热度：558
摘 要 为改变照明方式简单并且耗能严重的现状、建立科学的智能照明系统，本文分析了智能照明与传统照明的区别，讨论了智能照明系统的研究动态，研究图书馆照明系统的相关策略，探讨了构建实时高效、绿色节能、低功耗、易管理的图书馆智能照明系统。
关键词 图书馆;智能照明系统
图书馆对照明有很高需求，一个面积4万平方米的馆舍，按传统方法使用，月均用电量达8万度，电能消耗巨大。在我国，每年照明用电量约占总用电量的12%，在 楼 宇 中，照明能耗更是占到了电力消耗的30%以上[1]。在照明领域，传统照明系统存在能源耗费大、布线复杂、应用模式简单且舒适性差的缺陷，本文探讨了在图书馆照明体系中引入智能照明控制技术、实现图书馆绿色照明的问题
1、智能照明系统概况
智能照明是应用计算机、网络通信、微电子技术、系统集成及自动控制等多种技术构成的分布式照明控制系统，用户可通过遥控器、手机、平板等移动设备设置照明方案，也可以通过控制策略，实现绿色、智能照明，给用户带来安全、节能、舒适的照明体验。
智能照明系统根据环境变化、用户预 定 需 求等条 件，自 动 采 集 环 境 中 人 员、自 然 光 照 度 等 信息，对信息进行逻辑分析、推理、判断，按预置策略自动控制照明设备，实现智能照明。既提高了照明系统的智能控制和管理水平，同时也避免无效照明，降低电能消耗，提高照明系统的工作效率。智能照明系统与传统照明相比优势明显，两者区别见下表。
2智能照明系统研究态势
2.1 电力线载波照明系统
电力线载波通信技术(英文简称 PLC)，是利用已有的配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换 的 一 种 技 术[2]。从 20 世 纪 20 年 代 开始，西门 子 公 司、美 国Intel、Intellon等 公 司 先 后对低压 电 力 载 波 通 信 技 术 进 行 了 研 究。 美 国Echelon公司借其 LonWorks电力线传输技术和通信产品的可靠性，在电力线载波通信技术领域充当领军者 角 色。中国电力科学研究院自1997年开始研究低压配电网载波通信技术，到2003年我 国 研 制 出 了 EPLC-45M 和 EPL -14M系统[3]。
电力载波通信技术由于受电力线脉 冲、信 号衰减、噪声信号干扰、配电变压器对信号阻隔的影响，网速会在特定的时候出现衰减和不稳定，对系统影响明显。
2.2 有线智能照明系统
澳大利亚邦奇电子工程公 司推出 Dynalite智能照明控制系统。该国 GerardIndustriesDtyLtd研发出分布式、总线型、可编程的照明控制系统 C-Bus，通过非屏蔽信号线作为总线，系统单元器件相互连接，各元件内置微处理器，以数据讯号传送、辨识及记忆信息，C-Bus将强弱电分离，解决了信号衰减、噪声干扰问题，提升了安全性，并有一定的开放性。
瑞士 ABB集团公司推出I-Bus智能控制系统，是基于 Konnex(KNX)标准的分布式总线系统，包括双绞线、电力线、无线通信和IP通信四种通信 介 质，2006 年 11 月，KNX 技 术 被 批 准 为ISO/IEC14543-3x国际标准。系统的优 点 是 控制灵活、功能强大;可进行光照、移动感测、开关控制、调光、时控、红外遥控、远程控制及联动控制;模块化设备方便拼装组合，实现功能控制，系统易于操作和维护。
德国西门子公司的instabusKNX/EIB是基于 EIB技术的分布式总线型智能控制系统，采用KNX/DALI调 光 及IP 组 网 等 技 术 实 现 集 中 管理，通过 EIBnet/IP 协 议 可 直 接 与 TCP/IP 系 统连接，总线信号可以在高速以太网上传输，系统扩展不受距离的影响;系统通过一条导线控制、监测和报告任务和过程，设备的电源也通过这条线提供。模块化设备可方便的组合，实现各种功能控制，系统控制灵活、功能强大，适用于办公楼、体育场等建筑。
奥地利锐高公司开发了基于 DALI总 线 的luxCONTROL照明 控 制 系 统，定 义 了 控 制 模 块间数 字 通 信 的 接 口 标 准，系 统 组 网 灵 活、稳 定 性强，但网络节点数有限，可扩展性受到影响。该系统由控制器、传感器、调节装置、电子镇流器、讯号转换卡、无线/有线网络等组成，可定制多 种 照 明方案，能控制 LED光源的颜色、明亮度，并随着时间变化、自然光照的强弱，自动调节照明亮度、色温，营造舒适的照明环境。Tridonic在2015年推出分布式 云 控 制 照 明 管 理 系 统“connecDIM”，该系统用户 能 在 世 界 任 何 地 方 远 程 访 问 云 系 统 数据，对照明进行监控和管理，还可以通过电脑或者智能设备 APP端快速调节和定制照明，满足特定需求[4]。
分布式控制方式，克服了传统照明控制分散、不便管理的弊端，该系统控制信号通过专用总线传输，需单独布线，系统安装、维护成本高，可扩展性、移动性较差。
2.3 无线智能照明系统
随着无线通信和物联网技术的发展，无 线 通信技术被引入智能照明控制系统。在无线照明系统中，控制单元所发出的信号，都以无线电波的进行交互传播，控制单元接收信息后，根据通信协议自动进行控制。系统不用网络布线，安装和扩展灵活方便，并降低总体应用成本。常见的无线控制系统有红外、Bluetooth、Wi-Fi、UWB技术，以及Z-Wave、ZigBee、EnOcean等，它们各有相关标准和应用领域，成为智能照明系统的发展方向。下面重点介绍ZigBee、EnOcean技术。
2.3.1 ZigBee系统
ZigBee技术是 一 种 近 距 离、低 功 耗、低 数 据速率的双向无线网络技术，其优势在于组网灵活、支持大量节点、支持多种网络拓扑、网络容量大且传输 可 靠 性 高，系统采用独立的协议栈，成 本 较低。ZigBee技术采用IEEE802.15.4规范作为其应用层 及 网 络 层 协 议 的 基 础，使 用 2.4GHz波段，采用 跳 频 技 术，基 本 速 率250kb/s，不 使 用 功率放 大 器 时，Zigbee的 有 效 传 输 范 围 为 10-75米。它可与254个节 点 联 网，组 成 多 达65000个数据模块的无线数传网络，其中每个模块间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以进行无限扩展。ZigBee解决了传统布线繁琐和设备移动性差等问题，用于无线照明系统有较好的优势。
2.3.2 EnOcean系统
EnOcean无线 能 量 采 集 技 术 由 德 国 易 能 森有限公司研发，2012年3月，国际电工技术委员会将 EnOcean 无 线 通 信 标 准 采 纳 为 国 际 标 准ISO/IEC14543-3-10，这是世界上唯一使用能量采 集 技 术 的 无 线 国 际 标 准。EnOcean 使 用868MHz和315MHz频段传输信号，无线电信号传输速 率125KB/s，数 据 传 输 距 离 在 室 外 达300米，室内为30米。EnOcean网络体系结构由物理层、数据链路层、网络层以及应 用 层 构 成[5]，其 优势如下：
(1)EnOcean能量采集模块可自动采集周 围环境的机械能、光能、热能等，这些能量经过处理以后，供给系 统 超 低 功 耗 的 无 线 通 讯 模 块;EnO-cean采用无握手的通信机制，无 线 信 号 耗 电 为ZigBee的1/30～1/100。该 系 统 不 用 电 池，不 用布数据线，也不用架电源线。
(2)EnOcean通过采集的能量驱动低功耗 芯片组，实现高质量无线通讯，既保证通讯的距离，还具有超强的抗干扰能力，同时通过加密功能，保证通讯的稳定性和安全性[6]。
(3)EnOcean 和 同 类 技 术 相 比，芯 片 组 不 仅功耗最低，而且传输距离最远，可以组网并支持中继功能。
(4)EnOcean 兼 容 现 有 的 技 术 和 产 品，布 局灵活、安装方便，实施后免维护，具有显著的成本效益，是绿色、节能、环保的智能控制系统
3、图书馆照明系统控制策略
按照《建筑照明设计标准》(GB50034-2013)要求，图书馆建筑应为读者和员工提供既能实现节约能源、低碳环保，又有益于提高工作和学习效率、维护健康的绿色照明。在图书馆照明系统设计中，对走廊、楼梯间、门厅等公共场所的照明，宜采用集中控制，并按建筑使用条件和天然采光状况采取分区、分组控制措施;对天然采光良好的区域，按其照度自动开关灯或调光;对办公区域采用人体感应或动静感应等方式自动开关灯;对门厅及平台还可采用夜间定时降低照度的方案;在照明系统中应用调光回路、场景控制器、总控制器等设备获得绿色照明效果[7]。
图书馆依不同的功能分区，有不同的 照 明 要求，照明系统要保障分散在各功能区域中的独立空间或公共空间的差异化照明需求，并通过网络将各个照明单元融为一体，即在保证分散控制的情况下，实现集中控制。在照明控制策略上，按图书馆 的 工 作 特 点，依照明需要进行分区、分 段 控制，同时根据照度的变化，按设计方案实时调控照明，达到符合照度标准的照明。在照明策略中，采用时间控制、人体感应控制、自然光利用及照度控制等方式，实现全方位的控制，既节能环保，又为读者提供适合阅读需求的智能、绿色照明。
图书馆的照明区域主要有阅览区、藏书区、学习空间、办公室、公共区及室外照明区域。根据各区域的条件及工作特点，考虑以下设计因素：
(1)阅览区的面积较大，考虑在有自然光的区域和时段，尽量利用自然照明，在该区域设置照度采集器，采集照度的变化，自动开启节能灯，并控制照度和数量，为读者提供绿色照明。共享空间、电子阅览区、多功能室、报告厅、会议室等处亦采用自动调光控制。
(2)藏书区参照阅览区的照明方案，在提供基本照明的情况下，对每个书架单元提供查阅维度的局部照明，当读者驻留一个书架区域时，感应装置自动捕捉读者的驻留范围和时间，并实时启动相关区域的照明，满足读者查阅文献的需要，当读者离开该区域后，系统延时、逐渐关闭局部照明。
(3)公共区域(门厅、走廊、楼梯、平台、电梯前厅、卫生间等)的照明，由于该区域过去基本是长明灯，多数时候是无效照明，浪费了大量能源，对于该区域设置人体红外感应控制器，实现自动照明控制。
(4)室外环境照明采用照度控制和时间控制两种模式，满足差异化的照明需求。
(5)图书馆应急照明利用智能控制系统与火灾报警系统的特点，设置照明方案，实现集中、自动控制。
系统根据相 关 区 域 的 功 能、不 同 的 时 间 段、自然光 的 亮 度 等，按照设定策略进行控制。如当有人出 现 在 照 明 范 围，通过传感器收集传递信息，控制系统接 通 照 明 光 源;当人离开照明区域，系统自动关 闭 光 源。如 果 自 然 光 较 强，系 统自动降低 电 光 源 的 发 光 强 度，而自然光源较弱时，系统提高电光源的发光强度达到照明要求，实现照明 环 境 的 均 衡、标 准 照 明，避 免 长 明 灯，实现照明节能
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4基于无线网络的图书馆智能照明系统
传统照明体系缺乏科学合理的规划和方案，没有对系统进行智能控制设计。基于无线控制系统的特点，在图书馆照明系统中引入无线网络技术，将感知系统、计算系统、通信系统、控制和应用系统等不同学科系统融为一体，构建科学的图书馆智能照明控制系统。
4.1 感知系统
感知系统是与物理环境直接进行交互的感知设备、执行设备，这些设备构成具有特定功能的网络单元(或称节点)。在各功能区的阅览桌、照明灯及灯具、书架上，镶嵌无线收发模块、光敏传感器、红外传感器及有执行能力的智能设备，对图书馆各功能区物理环境变化进行感应、探测和传递，例如，红外传感器感知阅览环境中读者的驻留信息，或接收读者发送的特定照明需求信息。光敏传感器自动感应、测试环境中相关区域的自然光照度信息，将各种信息转化成系统信息，并通过无线通信方法传递，或通过节点的关联接口传递给计算系统或控制系统单元进行照明控制。
4.2 通信系统
通信单元是智能照明系统的网络通讯节点，它利用网络将计算单元、控制单元、感知及应用单元互相连接，实现感知层与其它单元之间的数据传输与交互操作。通信系统由传感器网络、执行器网络和计算机网络共同构成通信网络，其主要功能是传递信息和实现控制。近年来，无线通信技术发展迅速，EnOcean技术是近几年开发的一项新型无线传输技术，与 Z-Wave、ZigBee 等 无线技术相比，它具有更好的稳定性、更低的功耗，具有很强的使用价值，适合在图书馆的建筑中推广应用。
4.3 计算系统
计 算 系 统 是 整 个 智 能 照 明 系 统 的 中 心，由系 统 中 具 有 统 计、计算及显示能力 的设备构成，它 捕 获 感 知 系 统 或 其 他 设 备 传 递 的 数 据 后(如 开 关 状 态 或 遥 控 器 的 指 令)，运 用 设 备 的 数据 计 算 与 处 理 功 能，对 数 据 进 行 分 析、运 算、加工 处 理，将 照 明 策 略 指 令 传 递 给 有 关 单 元，实现 各 种 照 明 场 景。 由 于 智 能 照 明 系 统 比 较 复杂，所 需 计 算 量 和 数 据 处 理 能 力 较 大，可 考 虑通过云计算建立智能照明体系。
4.4 控制系统
控制系统是智能照明系统的控制节 点，由 系统中分析、调度、控制设备或模块组成，包含智能继电器、照明度调节器、智能开关及遥控器等，当控制层采集到来自计算单元的数据，经过处理生成控制与调度命令，通过执行器实时控制环境的照明状态。
由于智能照明系统的复杂性，传统的 集 中 式控制方式不能满足系统的需求，嵌入式控制平台成为智能照明系统的发展方向。图书馆照明系统依读者多元照明需求和模式设计控制策略，为读者提供智能化、健康舒适的绿色照明体验。
4.5 应用系统
应用系统为照明系统提供相关进程，为 用 户提供照明服务，包括智能照明模型程序、终端设备客户端、照明灯具等设施。应用单元是整个照明体系的实际操作层，它的主要任务是收集信息，并根据需要进行查询、反馈和配置相关需求，为用户提供符合个性化需求的照明体验。
感知系统、通信系统、计算系 统、控 制 系 统 和应用系统共同构成图书馆智能照明控制体系，该体系的结构如下图所示。
在图书馆智能照明系统中，通信系统与感知单元、计算单元、控制和应用单元通过协议相互链接，多种不同类型的异构单元构成一个复杂的网络体系，系统对外界环境实时感知与共享，将数据信息在各单元间进行传递、交流;控制单元接收来自计算中心的数据或来自应用单元的用户调控信息，通过策略运算后生成控制命令，经网络传送到感知系统和应用单元，对照明设备进行控制。在整个流程中，各单元和节点不是单独运行，而是协同工作，实现智能调控，提升照明效率。
5、结语
图书馆智能照明系统由感知、通信、计算、控制和应用系统融合形成一个复杂的分布式反馈系统，信息通过多进程循环反馈，实现系统的实时感知、信息交互和协同运行。文章研究智能照明系统的发展动态及图书馆照明策略，探讨构建图书馆智能照明控制系统架构。智能照明系统，既为读者提供高质量的照明环境，又通过系统策略降低电能消耗，提升照明管理水平，为构建图书馆绿色节能的照明系统提供了新思路。——论文作者：杨毅
参考文献：
[1]朱红玉.照明节能控制技术应用现状与发展趋势分 析[J].城市建设理论研究，2011(14)：17-18.
[2]王永才，等.低压电力线路载波通信技术研究现状分析[J].信息系统工程，2013(9)：110-112.
[3]陈 凤，等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37(22)：188-195.
[4]TRIDONIC.connecDIM [EB/OL].[2017-05-06].http：//www.tridonic.cn/cn/20403.asp.
[5]陈 广，等.基于 EnOcean技术的智能照明控制系统设计[J].电气应用，2015(2)：26-29.
[6]EnOcean.CompanyProfile[EB/OL].[2017-04-16].https：//www.enocean.com/en/company-profile/ .
[7]中国建筑 科 学 研 究 院.GB50034-2013 建筑照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.
文章名称：智能照明系统在图书馆的应用研究
