邢書劍 王明強(qiáng) 史經(jīng)倫

關(guān)鍵詞： 航站樓; 智能照明; 無線通信; 數(shù)字可尋址調(diào)光接口; 傳感器; 節(jié)能

中圖分類號： TN876?34; TP29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0068?05

Abstract： Aiming at the problems such as high power consumption and complex wiring of the terminal indoor illumination， an intelligent lighting control system based on ZigBee wireless network and digital addressable lighting interface （DALI） system is proposed. The wireless communication mode can improve the scalability of lighting system， and reduce the maintenance and upgrade costs. The DALI system can perform the grouping control for the lamps. The illumination moving sensor can realize the time and regional illumination of each area in the terminal. The experimental platform was set up to perform the simulation experiment for the regions （central hall and corridor） with different illumination requirements. The experimental results show that the system can automatically adjust the indoor illumination according to the change of the natural light intensity， realize the time and region intelligent illumination， and achieve the purpose of energy conservation， and has a certain application value.

Keywords： terminal; intelligent lighting; wireless communication; digital addressable lighting interface; sensor; energy conservation

0 ?引 ?言

隨著社會與科技的迅速發(fā)展，人們的環(huán)保意識日漸提高，節(jié)能減排已成為我國的一項(xiàng)基本國策。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國照明用電約占總用電量的10%～12%。機(jī)場航站樓作為公共建筑設(shè)施，建筑面積和客流量大，各類照明電器設(shè)備安裝密度高，單位建筑面積耗電量大，且全年運(yùn)行沒有節(jié)假日。因此，航站樓的用電量更高，合理使用航站樓照明系統(tǒng)，優(yōu)化用電模式，對于機(jī)場的節(jié)能減排工作意義重大。

近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步為智能照明系統(tǒng)、智能家居、監(jiān)控系統(tǒng)、智能樓宇等設(shè)計(jì)提供了更多技術(shù)支持。國內(nèi)外針對基于無線通信方式的應(yīng)用開展了大量研究，采用的無線技術(shù)如ZigBee，ANT，3G等，這些技術(shù)已應(yīng)用于隧道、教室、路燈、樓宇、家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控、城市停車系統(tǒng)等領(lǐng)域[1?7]。然而，基于無線通信技術(shù)的航站樓智能照明系統(tǒng)還鮮有研究[8]。另外，數(shù)字可尋址調(diào)光接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）定義了照明電氣與系統(tǒng)設(shè)備控制器之間的數(shù)字通信方式，DALI技術(shù)的使用能夠以廣播、分組或單獨(dú)個體的方式靈活控制單燈或者燈組，使調(diào)光控制更加靈活可靠，目前已廣泛應(yīng)用于酒店、飯店、商業(yè)中心等[9?11]。

因此，本文提出一種結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和DALI技術(shù)的航站樓智能照明控制系統(tǒng)，利用無線通信技術(shù)將單片機(jī)與DALI網(wǎng)關(guān)進(jìn)行組網(wǎng)，根據(jù)使用環(huán)境中自然光的亮度、航站樓不同區(qū)域、不同時段的照度需求，實(shí)時調(diào)節(jié)各回路燈組的驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)智能化、自動化調(diào)光，達(dá)到節(jié)約電能的目的。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺模擬不同區(qū)域，實(shí)驗(yàn)證明本文提出的系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)需求，具備實(shí)際使用價值，該系統(tǒng)的研究為智慧機(jī)場在照明方面提供了可行的解決方案。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能描述

航站樓智能照明控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包括STM32單片機(jī)、ZigBee模塊、DALI電源、DALI網(wǎng)關(guān)、DALI照度移動傳感器、DALI調(diào)光器及LED燈具。

1） STM32單片機(jī)

系統(tǒng)采用探索者STM32F4開發(fā)板作為智能照明控制策略實(shí)現(xiàn)的主控單元，通過RS 232串口與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，負(fù)責(zé)實(shí)時檢測航站樓內(nèi)各個區(qū)域的照度值、有無行人、LED燈具工作參數(shù)等信息，并根據(jù)一天內(nèi)不同時刻、不同區(qū)域所需的光照度進(jìn)行分析處理，再將不同區(qū)域內(nèi)LED燈具所需照度值通過DALI網(wǎng)關(guān)發(fā)送到相應(yīng)的DALI調(diào)光器進(jìn)行處理。

2） ZigBee模塊

ZigBee模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與每個DALI網(wǎng)關(guān)之間的無線通信，其中與單片機(jī)相連的模塊為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，與每個DALI網(wǎng)關(guān)相連的模塊為各個終端節(jié)點(diǎn)，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)DALI網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)的上傳以及單片機(jī)控制信號的發(fā)送。

3） DALI電源

本文系統(tǒng)采用CTT?DLPS250?1電源為每個DALI網(wǎng)關(guān)組成的調(diào)光系統(tǒng)提供24 V的DALI總線電源，輸出電流可達(dá)250 mA。

4） DALI網(wǎng)關(guān)

采用DALI網(wǎng)關(guān)（型號為CTT?DLGW?R）作為以DALI協(xié)議為基礎(chǔ)的核心部件，每臺網(wǎng)關(guān)可控制64個DALI設(shè)備，負(fù)責(zé)對所屬區(qū)域的照度移動傳感器及調(diào)光器分配設(shè)備地址、讀取和設(shè)置參數(shù)等工作。對于燈具較多的情況，可采用多個不同設(shè)備地址的DALI網(wǎng)關(guān)組成控制網(wǎng)絡(luò)。DALI網(wǎng)關(guān)與ZigBee模塊之間通過一個RS 485/RS 232轉(zhuǎn)換器相連。

5） DALI照度移動傳感器

分布在各區(qū)域的照度移動傳感器（型號為CTT?DLSR?T）負(fù)責(zé)實(shí)時采集本區(qū)域的照度值及檢測是否有人經(jīng)過，其測量值通過DALI網(wǎng)關(guān)上傳至單片機(jī)作為照明控制策略的判斷依據(jù)。

6） DALI調(diào)光器及LED燈

每個DALI調(diào)光器（型號為CTT?DL2005?3）具有3路獨(dú)立的恒壓（最大5 A）輸出，可分別控制3個LED燈的驅(qū)動電流，以實(shí)現(xiàn)對不同時間、不同區(qū)域的照度需求。系統(tǒng)選用12 V電流驅(qū)動LED作為照明單元，可根據(jù)使用需求進(jìn)行合理布局。

2 ?控制策略

人工照明是航站樓消耗能量最多的應(yīng)用，超過制熱或制冷，在考慮總體環(huán)境需求、舒適性和安全的前提下應(yīng)優(yōu)化照明的手段、燈具的使用等措施，充分利用、平衡自然光照明和人工照明是節(jié)能的重要手段之一。另外，航站樓的日間照明與夜間照明模式同樣重要，既要保證旅客能夠輕松辨認(rèn)通道和空間，又要盡量減小能源的浪費(fèi)[12?15]。因此，航站樓照明管理需充分考慮實(shí)際狀況，結(jié)合照度移動傳感器的使用，綜合考慮與照明相關(guān)的時間、區(qū)域、環(huán)境照度和人員流動等因素，充分融合時間表控制、區(qū)域控制和環(huán)境參數(shù)控制，對整個航站樓采取分區(qū)域和分時段的場景控制策略，具體照明控制策略如下：

1） 分時段照明

在機(jī)場業(yè)務(wù)繁忙的時段（8：00—22：00），控制各區(qū)域保證較高的照度，由于該時段大部分時間內(nèi)外界自然光的光強(qiáng)和入射角度會一直改變，所以要求LED燈的亮度隨著自然光強(qiáng)度的變化而變化;在其他時段內(nèi)，人員相對稀少，則可降低各區(qū)域的照度需求，對于某些區(qū)域可在無人的情況下適當(dāng)關(guān)閉部分燈光以達(dá)到節(jié)能的目的。

2） 分區(qū)域照明

由于航站樓各區(qū)域的功能不同，往往對照度的需求不同，比如安檢區(qū)需要更高的照度，而走廊、樓梯等區(qū)域?qū)τ谡斩鹊男枨笸鄬^低。利用DALI網(wǎng)關(guān)對不同區(qū)域內(nèi)的LED燈設(shè)置對應(yīng)的ID，再進(jìn)行分組控制，可以實(shí)現(xiàn)單燈及不同燈組的亮度控制、開啟和關(guān)閉。

3） 環(huán)境參數(shù)控制

根據(jù)天氣、人員流量等實(shí)際環(huán)境參數(shù)實(shí)時調(diào)節(jié)照明參數(shù)，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)能效果。在不同區(qū)域適當(dāng)設(shè)置照度移動傳感器，實(shí)時檢測當(dāng)前照度并調(diào)節(jié)相應(yīng)燈具的亮度。鑒于夜晚人員流動稀少的特點(diǎn)，適時關(guān)閉部分區(qū)域的燈光，只在有人經(jīng)過的條件下打開相應(yīng)的燈即可。

4） 定時控制

定時控制可配合照度移動傳感器來使用，多用于夜晚人員稀少的情況，在有人經(jīng)過的情況下適當(dāng)打開相應(yīng)區(qū)域的燈光，在一定時間內(nèi)無人員經(jīng)過的情況下，根據(jù)需要可定時關(guān)閉該區(qū)域的燈光。

綜上考慮，根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034?2013）中的規(guī)定，結(jié)合機(jī)場不同區(qū)域的實(shí)際照明需求，將分區(qū)域照明、分時段照明、環(huán)境參數(shù)輔助、移動感應(yīng)、定時控制幾種控制方式有機(jī)結(jié)合，對航站樓內(nèi)各區(qū)域的照明控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表1所示。

以中央大廳為例，其日間的照度需求為300 lx;夜間的照度需求為200 lx，并參考人員流動情況適時開啟和關(guān)閉部分燈光。為盡量簡化燈光調(diào)節(jié)的頻率，可設(shè)置20 lx的照度余量，即在日間照度為300～320 lx之間保持燈光亮度不變，在夜間有人情況下照度為200～220 lx之間保持燈光亮度不變，在夜間無人情況下設(shè)置定時1 min后關(guān)閉相應(yīng)燈光。在其他情況則適當(dāng)調(diào)高或減弱燈光亮度，并進(jìn)行比較判斷是否滿足照明需求，具體軟件流程如圖2所示。對于航站樓其他區(qū)域則采用類似的處理流程。

3 ?實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，本文搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，整體框架采用3030規(guī)格的鋁型材，尺寸為1.5 m×1 m×2 m，外罩采用兩層布料作為屏障，內(nèi)層采用純白色棉布模擬墻壁，外層采用遮光圖層材料阻擋外界自然光，實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)模擬航站樓不同區(qū)域的需要適當(dāng)打開一側(cè)或在外罩上開口以保證自然光的射入。在框架內(nèi)部安裝燈具及照度移動傳感器，通過單片機(jī)控制不同區(qū)域不同時段的光照情況，利用HT?8318照度計(jì)測量光照情況，實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示，控制系統(tǒng)硬件如圖4所示。

為驗(yàn)證智能照明策略的可行性，本文基于實(shí)驗(yàn)平臺分別測試了中央大廳和走廊兩個區(qū)域在7：00—18：00的照明情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5，圖6所示，具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

Step1：系統(tǒng)上電自檢，完成無線網(wǎng)絡(luò)的初始化;

Step2：DALI系統(tǒng)的初始化，包括網(wǎng)關(guān)、照度移動傳感器、調(diào)光器的地址分配及參數(shù)設(shè)置;

Step3：單片機(jī)工作，定時采集當(dāng)前時間、照度等信息，利用中斷收集人員移動情況，根據(jù)不同區(qū)域、不同時段自動進(jìn)行分析處理，將調(diào)光電流的控制指令通過DALI網(wǎng)關(guān)發(fā)送至相應(yīng)地址的DALI調(diào)光器以控制燈具的亮度。

由圖5可見，在7：00—13：00之間隨著自然光照度的升高，LED燈的照度會逐漸減小;在13：00—18：00之間，自然光照度會逐漸降低，LED燈的照度則會逐漸升高，從而使得中央大廳的地面總照度可在8：00—18：00保持在300～320 lx之間;而在7：00—8：00中央大廳的地面總照度需求為200 lx，圖中照度為208.7 lx，同樣滿足要求。由圖6可見，走廊在7：00—18：00的地面總照度始終維持在200～220 lx之間，LED燈的照度會隨著自然光照度的改變而隨時調(diào)節(jié)，基本滿足互補(bǔ)的特性。因此，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)分區(qū)域、分時段照明，具備自動調(diào)節(jié)燈光照度的能力，達(dá)到了設(shè)計(jì)需求。

4 ?結(jié) ?語

本文采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和DALI總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種針對航站樓的室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)。利用無線的方式降低布線成本，提高系統(tǒng)靈活性，結(jié)合DALI系統(tǒng)的優(yōu)勢，利用STM32單片機(jī)作為主控單元對航站樓內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分時段、分區(qū)域照明。搭建實(shí)驗(yàn)平臺對中央大廳和走廊兩個區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備根據(jù)自然光條件的改變自動調(diào)節(jié)室內(nèi)照度的功能，達(dá)到了節(jié)能的目的，對航站樓室內(nèi)照明具有一定的應(yīng)用價值。

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