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商业和住宅建筑的智能照明能源管理系统

Siriporn Bannamas and Peerapol Jirapong*

Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Chiang Mai University 239, Huay Kaew Road, Suthep sub-district, Chiang Mai, Thailand, 50200

*Levinson331@gmail.com

摘要 ：本文提出了一种智能照明能源管理系统，该系统结合了六种照明控制功能，即占用控制，时间安排，日光控制，任务控制，个人控制和可变电源释放。拟议的照明管理系统有两种模式，即自动控制和个人控制。 用户还可以通过照明管理程序和互联网Web服务器来控制系统。利用自然光和人造光的照明管理系统由微控制器和Raspberry Pi硬件以及控制和管理系统的软件组成。此外，本文不仅提出了在每个区域选择合适功能的方法，而且还提出了符合光能量效率和效率两个基本原则的优先顺序方法。实验结果表明，所提出的系统可以高效，有效地管理能源消耗。该系统可以用于避免能源浪费，并且在典型的日子里，在开关和调光控制中最多节能68％。

关键词：日光，节能，能源消耗，智能照明系统，照明控制，照明系统。

I.介绍

能源被认为对现代生活非常重要，特别是广泛用于人类活动的电力。每个商业和住宅建筑物也通过照明系统消耗大量的电能。因此，必须制定能源管理和节约措施，以减少系统在典型日子里的能源消耗。可以清楚地看出，控制时间和功率是降低系统能耗的最重要策略。 智能照明系统可用于降低能耗，但不影响可视性和工作效率; 而且，它可以增加方便性和安全性[1]。

根据照明标准和法规（EN12464-1）[2]，任何灯具必须适合工作环境。选择不同类型的灯会影响光效和电能利用率[3]。提出了一种照明控制系统，通过调节亮度来管理功耗。光可能通过调暗灯具并通过将房间分割成小部分来减少灯的使用来控制[4]。有一个为教室设计的高级照明控制系统的案例研究。一个只用开/关切换控制进行布置而不改变灯具；另一个可以通过调光控制来改变亮度水平。测试结果表明，安装在教室中的调光系统可以避免在未占用的白天时段的能源浪费[5]。

列车到达时间和开/关切换照明控制可用于自动化系统。然而，这种方法只适用于某些地点一段时间[6]，开发了一种利用网络摄像头的自动切换控制，用于控制光照。当它没有检测到任何移动时，光线会自动关闭以节省能量[7]。其他研究调查了被动红外（PIR）传感器，它可以用来检测空间中的运动。PIR传感器的优点是成本低，体积小; 此外，它消耗的功率低，需要很少的维护[8]。另一项研究使用安装在每个椅子上的压力传感器检测用户。结果表明，电力使用量减少了30％。然而，压力传感器比PIR传感器难以安装并且更昂贵[9]。

其中一项有趣的研究涉及通过距离窗户将房间空间分成三个区域，并利用每个分区的阳光。对于距离窗户较近的任何工作区域需要较少的亮度，但如果距离较远则需要更多的亮度。 这种方法可以降低能耗并节省资金[10]。最后，开发了一个照明控制系统来控制建筑物的功耗。当用电量达到最高水平时，一些不必要的灯具会变暗以降低功耗[11]。

照明控制系统由日光和移动自动控制，已经用于许多智能家居。此外，人们还可以直接从个人计算机和远程控制系统[12]或者即使他们自己的智能手机与Android应用程序[13]控制系统。 提出了智能建筑中的另一个照明控制系统来控制照明系统取决于占用的原则，以减少房间无人使用时的照明使用[14]。

如上所述，大多数有效的方法是独立开发的，许多研究人员仅将其中的一些应用于通用照明系统，尽管这些方法可以整合到有效管理能源消耗的有效系统中。因此，本研究的目的是开发一种智能照明能源管理系统，将占用控制，时间安排，日光控制，任务控制，个人控制和可变电源释放等六种照明控制功能组合成一个独特的节电系统商业和住宅建筑能耗。 每个功能都可以选择与其他依赖于适合的工作环境，活动和任务设备的其他功能一起使用，以找出管理和节约能源的最有效方法。

II.照明能源管理系统

所提出的照明管理系统的主要概念是可以选择用于减少电能消耗的六个主要功能的集成。每个功能在以下各节中进行介绍。

功能1：占用控制

此功能是一种自动照明管理系统，可检测房间内的占用情况。当检测到乘客的移动时灯会自动打开，并在最后一位乘客离开房间后关闭。被动红外传感器被选中来完成这项任务。 对于宽广的空间和高安全性的情况，建议使用网络摄像头。

功能2：时间安排

时间表是此功能中最引人注目的功能。灯光可以编程为在所有需要的时间内自动打开或关闭。

功能3：日光控制

此功能使用阳光的好处。根据窗口的距离将房间分成多个部分。每个单独的部分将获得不同数量的阳光。已经接收到大量明亮光线的靠近窗户的部分将自动调暗光线，而在更远的区域中，亮度水平需要增加。根据该方案，可节省用电量，并且每个部分的光照水平仍由EN 12464-1 [2]中推荐的照明标准控制。

功能4：任务控制

该功能将房间区域分成小部分。光线只能在特定的工作区域打开，例如桌子，通知板或浴室镜子。换句话说，只有在人们能够正常工作的区域才能打开灯光。

功能5：个人控制

用户可以使用计算机程序根据需要控制照明系统。这种灵活性可以帮助用户工作更方便。 此外，如果建议在大型建筑中应用此功能，节能将更加有效。

功能6：可变功率脱落

此功能计算建筑物所需的最大功率。当总用电量等于默认设置时，程序将发出警报以警告用户并显示耗电量。然后，用户可以选择关闭不必要的灯具，或者让系统自动切断。

合适的默认功率设置是根据工作时间的负载系数来计算的。在典型的一天中，适当的负载率应该在80％。

III.系统设计与施工

智能照明能源管理系统由硬件和软件两部分组成。硬件由两个控制系统组成：开关控制和调光控制。硬件包括开关电路，调光电路，运动传感器，照度计，微控制器。使用的软件是Raspberry Pi中的Gambus程序。操作站接收并管理来自用户的任何订单和来自电力/电能表的数据。用户可以通过触摸屏显示器控制灯光操作。此外，该程序还可以控制每个区域的亮度级别和时间以打开或关闭。另外，用户可以通过互联网web服务器来控制系统。

A.设备

该系统中使用的设备由以下各部分组成：荧光灯（36瓦，230伏AC）和LED灯（14瓦，12伏DC）具有相似的亮度。开关电源用于向LED灯提供（12 VDC，29 A）电压。用于测量系统中消耗功率的功率/电能表。USB到RS-485转换器用于连接RS485接口和USB。带有20个数字输入/输出引脚的Arduino UNO R3用于控制系统。Raspberry Pi被用作接收和管理来自用户的数据计量和订单的操作站。环境光传感器模块（BH1750FVI）是一款用于I2C总线接口的数字环境光传感器IC。可以检测1-65535勒克斯和小测量变化（ /- 10％）。PIR运动传感器用于检测距离大约6米远的宠物或人类的运动。它们体积小，价格低廉，功耗低，易于使用。

1. 电路

在这个实验中使用两个电路。一个是用于控制荧光灯开/关的开关电路。另一个是用于调光电路控制开关电源提供的LED灯。此外，LED灯具有全面的调光功能;因此，它们与调光控制系统兼容。另外，他们的预期寿命不受影响经常打开/关闭它们，LED灯可以帮助减少二氧化碳排放。另一方面，调暗控制器不建议用于荧光灯，因为可以降低能量的有效调光镇流器非常昂贵。

销

IRL 540

5 Vdc

PIN

1 k

图1（a）显示了开关电路。 图1（b）显示了调光电路。

图1（a）显示了开关电路。当系统处于自动模式时，简单电路使用继电器来开启/关闭。图1（b）显示了调光电路。简单的调光电路使用MOSFET（IRL540）通过脉宽调制（PWM）来控制灯管之间的电压。PWM波可以控制从0％到100％的不同级别的光强度。亮度级别具有五个不同的光输出值：0％，25％，50％，75％和100％。该电路也用于控制LED灯。

1. 操作站

Gambus程序是一个图形应用程序，用于设计照明管理程序的图形用户界面（GUI）。它还可以链接到MySQL数据库，其中保存了照明管理系统的所有数据，如电流，电压，功率和指令。该程序管理并检查数据库中用户的操作订单。然后，它传输命令以激活微控制器来操作系统中的灯。用户可以通过GUI控制亮度级别和报告负载配置文件。

IV.系统运行和控制

所提出的六种功能和系统设备是按成本和适用性选择的，并且根据位置，工作环境，安装，成本，用户满意度和兼容性，它们被用于每个功能。用户考虑哪些功能与其他功能有效兼容以避免重叠控制是非常重要的。下一步是为每个调查区域选择最合适的功能。

图2.智能照明能源管理系统选择合适功能的流程图

图2显示了选择功能时使用的步骤顺序。然后，将最适合的功能集成到一个独特系统的交互式工作中。

图3.照明控制系统流程图

图3显示了优先顺序方法的步骤。占用控制功能与时间安排相互作用。一些不必要的灯光将被关闭以通过占用控制节省能量，而时间安排功能更适合按时间表确定的一些工作区域。 每个调查区域都会在特定时间关闭，但如果在房间内仍然有人发现，时间控制将被覆盖并且灯光会持续亮起。系统进一步计算建筑物的总功耗，并将其与功率设置进行比较，以在用户达到最高水平时发出警告。接下来，这些区域被分成更小的部分。每个部分将根据亮度级别变暗。亮度水平取决于两个因素。一个是用户操作，另一个是阳光水平。之后，将根据每个功能的优先级顺序控制系统。这种优先顺序方法将使系统更容易控制，更有效地节省能源并减少运行中的故障。

图4.构建智能照明能源管理系统的步骤

图4显示了用于完成照明管理系统的最后步骤。 在选择合适的功能并使用优先顺序方法设计框架之后，可以通过手动模式和自动模式两种模式来控制系统。 大多数系统自动运行以帮助用户更高效地工作。

V.案例分析

为了研究所提出的照明管理系统的效率和效果，在8mtimes;8m的测试室中实施了包括两种不同窗口大小的实验：5m宽times;2m高和1m宽times;2m高。如图5所示，对称地安装了九盏灯。有三个照明系统由手动切换系统，带荧光灯的照明管理系统和设置在同一房间内的LED灯照明管理系统组成（如图6）。

有7个案例研究，根据照明控制功能，照明控制策略和灯具类型对不同场景进行分类，如表I所示。使用手动切换控制将案例1编制为基线。在案例2至5中，照明管理系统使用自动开/关切换控制进行布置。在情况6和7中，增加了调光控制以调整系统中的亮度水平。荧光灯仅在1至5的情况下进行测试，而LED灯在1至7的情况下进行测试。房间的监控时间为09:00至16:00。每个案例研究的附加细节将在表一下面进一步描述。

图5.具有不同照明管理设置的测试室

图6.具有三个系统的实际测试室

1

2

3

3

案例研究描述：

案例1：基线仅使用手动开关控制而没有建议的照明管理系统。

案例2：当PIR传感器检测到房间内人员的存在（房间占用）时，照明管理系统将自动运行。

案例3：系统将分别在工作时间表前后分别自动启用和停用5分钟。客房的工作时间分为两个时段：09:30至12:00和13:00至15:00。

案例4：当该区域的平均自然亮度超过300勒克斯时，系统将自动关闭。

案例5：所有六项功能都集成在一起，作为一个独特的系统运行。此外，房间内的工作时间仍分为两个时段：09：30至12:00以及13:00至15:00。但是，用户不允许在休息时间使用最大功率，休息时间为12:00至13:00和15:00至16:00。在此期间，系统设置为最大功率的80％以限制用电量。

情况6：这种情况与情况4的情况类似，但亮度可以被调暗到五个等级。

情况7：这种情况与情况5类似地操作，但亮度可以被调暗到五个等级。

每个案例研究的用电量每5分钟记录一次，每个病例监测3天。然后，总能耗平均每天。