淺析無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)在高校地下車庫的應(yīng)用實(shí)踐

安科瑞 陳聰

摘要：天津某高校地下車庫采用傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，存在耗能大、壽命短和照度不夠等問題。為了有效改善車庫燈光環(huán)境，節(jié)省車庫的運(yùn)營和管理費(fèi)用，借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)燈光參數(shù)進(jìn)行管理和智能化控制。通過介紹項(xiàng)目的改造概況，闡述智能照明系統(tǒng)在高校地下車庫節(jié)能改造中的應(yīng)用原則、模式設(shè)計(jì)，總結(jié)節(jié)能改造的方法?；谛@能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用能數(shù)據(jù)，列出智能照明系統(tǒng)改造前后同期的用電量對(duì)比并計(jì)算回收期，以衡量智能照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果顯示，在照明智能化改造后，該校地下車庫每年可節(jié)約電量31.63萬kWh，2年多即可收回成本，節(jié)能率達(dá)91.01%。

關(guān)鍵詞：車庫燈；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；智能照明系統(tǒng)；地下車庫

0.引言

在城市建筑中，大型地下機(jī)動(dòng)車庫越來越普遍。由于人員和車輛的流動(dòng)具有不確定性，多數(shù)地下停車場(chǎng)的燈具不分晝夜、節(jié)假日全部開啟，會(huì)造成電能浪費(fèi)。若采用智能照明系統(tǒng)，可以根據(jù)需要合理調(diào)整照明燈的使用時(shí)間和亮度，實(shí)現(xiàn)能源的精細(xì)化管理，提高照明的穩(wěn)定性，為車輛和行人提供更加安全、舒適的環(huán)境，同時(shí)節(jié)約能源。因此，地下車庫照明用電的節(jié)能潛力較大，是城市建筑節(jié)能工作不可忽視的一部分。

在實(shí)施地下車庫智能照明控制系統(tǒng)建設(shè)，特別是既有車庫進(jìn)行智能化照明改造項(xiàng)目中，需要考慮多種因素，例如需要考慮其智能化程度、節(jié)能效果、設(shè)備布置的靈活性以及維護(hù)的便捷性。

文中通過優(yōu)化照明設(shè)備、應(yīng)用基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明控制技術(shù)，對(duì)某高校地下機(jī)動(dòng)車庫開展智慧照明建筑節(jié)能改造工程。結(jié)合高校實(shí)際用能特點(diǎn)，制定因地制宜的照明方案，依托數(shù)字化能源監(jiān)管平臺(tái)對(duì)車庫的用電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為同類型地下車庫的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造提供參考。

1.地下車庫照明國家標(biāo)準(zhǔn)

《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013）明確規(guī)定，住宅建筑地下車庫的照度標(biāo)準(zhǔn)為30lx，通用房間和場(chǎng)所的公共車庫地面照度則要求達(dá)到50lx。

2.項(xiàng)目概況

2.1項(xiàng)目概況

以高校地下機(jī)動(dòng)車庫智慧照明節(jié)能改造項(xiàng)目為例，該校共有4個(gè)地下機(jī)動(dòng)車庫，建筑面積為22120m2，共有331個(gè)車位，改造前裝有1241支36W的傳統(tǒng)熒光燈，地下機(jī)動(dòng)車庫燈管數(shù)量如表1所示。

表1地下機(jī)動(dòng)車庫燈管數(shù)量

地下車庫的車道采用雙排布燈，車位采用單位布燈。層高為3.6m，燈具安裝吊距地2.7m。改造前，部分車道燈具間隔開啟，主干道平均照度為32lx。

2.2耗電量過大原因分析

學(xué)校照明燈具為傳統(tǒng)的熒光燈，與目前發(fā)展成熟的LED燈相比，熒光燈的光效較低，耗電量較高。

人車的活動(dòng)具有不確定性，因缺乏智能控制方式，僅靠人工無法及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別人車活動(dòng)的具體方位、按需開燈。

地下車庫的監(jiān)控?cái)z像頭需進(jìn)行補(bǔ)光，因此人流量較少的區(qū)域也不能關(guān)燈，而在設(shè)計(jì)照明電路時(shí)通常不會(huì)考慮單獨(dú)控制監(jiān)控?cái)z像頭的補(bǔ)光燈，因此該條線路的燈具須全部開啟。

2.3自然環(huán)境導(dǎo)致維修頻次高

地下車庫夏季高溫潮濕，熒光燈存在密閉性差且易受潮導(dǎo)致?lián)p壞的缺點(diǎn)，每年需要花費(fèi)人、財(cái)和物成本，保證照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)主要由云端服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、LED紅外感應(yīng)燈等組成，智能照明系統(tǒng)原理如圖1所示。

LED紅外感應(yīng)燈集成了通信模塊、人體感應(yīng)器和LED光源。LED燈相較于傳統(tǒng)的照明燈具，展現(xiàn)出綠色環(huán)保、節(jié)能、光效高及使用壽命長等特點(diǎn)；可獨(dú)立控制每支燈具的電流值，使燈的亮度根據(jù)需要在0~100%范圍內(nèi)變化，燈的耗電量也隨之變化，實(shí)現(xiàn)了二次節(jié)能；單支燈實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立控制，每盞燈具均有獨(dú)立的地址，使控制對(duì)象由傳統(tǒng)的照明回路精細(xì)到每盞燈，靈活性強(qiáng)；通過分組聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舒適、自然、流暢的交互體驗(yàn)；每盞燈都嵌有一個(gè)智能照明控制器GS-Linker，集成了2.4G自組網(wǎng)通信協(xié)議和智能調(diào)光功能，可多條橋接形成無邊界大規(guī)模自組網(wǎng)；根據(jù)車道長度、燈具數(shù)量等情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工將燈具分組。

圖1智能照明系統(tǒng)原理

若某燈具感應(yīng)附近人車移動(dòng)，自動(dòng)將信號(hào)傳輸給同組燈具，實(shí)現(xiàn)同組燈具聯(lián)動(dòng)亮起并延時(shí)休眠；鄰組的燈具感應(yīng)區(qū)域在邊界有重疊，可實(shí)現(xiàn)鄰近組別的燈具聯(lián)動(dòng)，提前調(diào)亮，為人車提供舒適的體驗(yàn)；無須重新布線，項(xiàng)目只要更換燈不需要改造線路，工程上操作簡單。

網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)云端服務(wù)器與LED紅外感應(yīng)燈通信的設(shè)備，可以上傳燈具能耗、亮燈時(shí)長、當(dāng)前燈具工作狀態(tài)（感應(yīng)、休眠、全亮、全滅、恒照度）；也可給燈具下發(fā)命令，例如亮度調(diào)整(0~100%)、聯(lián)動(dòng)區(qū)域調(diào)整、延時(shí)時(shí)間調(diào)整等。

云端服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)上行、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和使用需求分析等。云端服務(wù)器可以存儲(chǔ)每只燈具的用電情況，也可通過服務(wù)器遠(yuǎn)程控制燈的參數(shù)和狀態(tài)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)燈、可配置場(chǎng)景模式一鍵切換等操作。

4.照明系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

4.1燈光參數(shù)的設(shè)計(jì)思路

工程目標(biāo)是使投資、節(jié)能、舒適之間達(dá)到平衡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，結(jié)合我國國家照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采取樣本點(diǎn)位，通過改變燈具亮度(0~100%)，調(diào)整車庫地面的照度并用照度計(jì)測(cè)量地面照度值。調(diào)光與照度的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2調(diào)光與照度的測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2燈具分區(qū)分組控制方案

為了確保地下車庫內(nèi)行人和車輛的安全和照明舒適性并綜合考慮消防安全、監(jiān)控需求，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整燈光亮度和布局，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將主干道鄰近區(qū)域的部分燈具分為一組，建議以1~10支為同一組。燈具感應(yīng)到人車經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，相應(yīng)組別的燈具自動(dòng)亮起，每盞燈具功率為18W，能夠?yàn)樵搮^(qū)域提供充足的照明；當(dāng)人車離開該區(qū)域時(shí)，該組燈具延時(shí)自動(dòng)調(diào)整為微亮模式，每盞燈具功率為3W。

根據(jù)燈具的紅外傳感器捕捉人或者車的移動(dòng)情況，以保證有人或者車移動(dòng)時(shí)，燈具保持開啟，人車停止移動(dòng)后燈具延時(shí)熄滅。

為了保證安全，在死角位置設(shè)置常亮燈，并根據(jù)需要設(shè)置燈光功率，一般為9W。

為了滿足消防安全和監(jiān)控的清晰度要求，在適當(dāng)位置設(shè)置常亮燈，并根據(jù)需要設(shè)置燈光功率。

車庫出入口安裝帶光照感應(yīng)功能的紅外感應(yīng)燈，在日間光線充足時(shí)，燈具不開啟；在光線達(dá)不到照度要求時(shí)，燈具感應(yīng)入口有物體移動(dòng)，打開燈光并延時(shí)熄滅。

4.3不同照明應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)不同情況設(shè)計(jì)場(chǎng)景開關(guān)一鍵切換功能。智能照明控制模式：所有區(qū)域啟用上述的智能照明控制方案。全負(fù)荷照明模式：所有回路燈具滿負(fù)荷運(yùn)行，可作為特殊需要的場(chǎng)景應(yīng)用。假期模式：假期到校教職工減少，可開放部分區(qū)域，切換為部分開放區(qū)域啟用智能照明控制方案，其他非開放區(qū)域僅開啟死角照明和消防監(jiān)控照明，其余燈光關(guān)閉。

4.4投資成本

項(xiàng)目按照工程審計(jì)，燈管價(jià)格為105.54元/套（含安裝費(fèi)10元），加上網(wǎng)關(guān)、軟件等費(fèi)用，初裝成本平均為222.71元/套，總花費(fèi)約276829.22元。項(xiàng)目投資明細(xì)如表3所示。

表3項(xiàng)目投資明細(xì)

5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和節(jié)能效果分析

5.1現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)

基于能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)用能數(shù)據(jù)，選取典型點(diǎn)位，對(duì)地下車庫改造前后的照明情況和用電量進(jìn)行實(shí)測(cè)。改造前后用電量對(duì)比如表4所示，改造前后照度對(duì)比如表5所示。

改造后，照明用電量大幅度減少，平均節(jié)能率超過70%；照度也得到大幅度改善，由33lx提高到52lx。

表4改造前后用電量對(duì)比

表5改造前后照度對(duì)比/lx

5.2經(jīng)濟(jì)效益分析

5.2.1降低電耗

基于能源監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對(duì)4個(gè)地下車庫進(jìn)行實(shí)例研究。通過設(shè)置不同場(chǎng)景，經(jīng)過測(cè)試與數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證智能照明系統(tǒng)的節(jié)能效果和可行性。

場(chǎng)景1：改造前車庫24h熒光燈全開；場(chǎng)景2：改造前車庫24h熒光燈間隔開啟；場(chǎng)景3：改造后車庫采用智能照明控制模式。

場(chǎng)景×日節(jié)電量=場(chǎng)景×日用電量-場(chǎng)景1日用電量(1)

節(jié)電率=場(chǎng)景×日節(jié)電量/場(chǎng)景1日用電量×100%(2)

LED燈全開與智能模式耗電對(duì)比如表6所示。

表6LED燈全開與智能模式耗電對(duì)比

由表6可知，與熒光燈照明方案相比，地下車庫采用紅外感應(yīng)LED燈照明方案具有更好的節(jié)電效果。

據(jù)能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，相比于改造前場(chǎng)景1的用電量，改造后一年可節(jié)約電量31.63萬kWh，節(jié)約電費(fèi)16.45萬元，節(jié)能率為91.01%。

相比于改造前場(chǎng)景2的用電量，改造后一年可節(jié)約電量11.21萬kWh，節(jié)約電費(fèi)5.83萬元，節(jié)能率為78.19%。

5.2.2降低運(yùn)行成本

綜合燈具更換成本、燈具維護(hù)管理費(fèi)用和年用電費(fèi)用[11-13]，電費(fèi)按照0.52元/kWh計(jì)算；初裝成本中熒光燈按15元/只，安裝費(fèi)均為10元/套計(jì)算，熒光燈40元/套，LED紅外感應(yīng)燈按105元/套計(jì)算。燈具使用壽命中，熒光燈管平均使用壽命為15000h，LED紅外感應(yīng)燈管平均使用壽命為40000h；項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)算的計(jì)算使用周期為2年和5年。

項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)算結(jié)果如表7所示。

表7項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性測(cè)算結(jié)果

由表7可知，LED紅外感應(yīng)燈的初裝成本較大，但節(jié)電率較高，燈具后期更換成本較低。對(duì)于該項(xiàng)目，2年多即可收回成本，5年累計(jì)可節(jié)約成本56.42萬元。采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Mesh自組網(wǎng)）的車庫LED紅外感應(yīng)智能照明控制系統(tǒng)，在滿足車庫照度使用要求的基礎(chǔ)上，能夠顯著降低運(yùn)行成本。

5.3社會(huì)效益

改造項(xiàng)目響應(yīng)我國住建部《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》中關(guān)于對(duì)建筑節(jié)能綠色改造、加快LED照明普及的要求，響應(yīng)天津市住建委《天津市城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》中推動(dòng)公共區(qū)域照明及智能照明控制改造的要求，為加快推廣應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的LED產(chǎn)品、促進(jìn)節(jié)能減排作出貢獻(xiàn)并起到示范效應(yīng)。

5.4安全

傳統(tǒng)熒光燈含有鉛汞等有毒元素，在2008年已列入我國《國家危險(xiǎn)廢物名錄》中，屬于毒性危險(xiǎn)廢物，LED燈具綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境危害較小。

6.安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

6.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

6.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場(chǎng)受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過圖標(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或三方集成平臺(tái)接口，采用modbus、opc等方式。

7.智能照明系統(tǒng)硬件選型

8.結(jié)語

以天津某高校地下車庫智能照明改造項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述改造方案的選定和工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)；基于實(shí)際的建筑樣本和詳細(xì)電耗數(shù)據(jù)，對(duì)不同使用場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)測(cè)。結(jié)果顯示，改造后在光照亮度、舒適度和節(jié)能效果等方面均取得良好的效果，具有一定的優(yōu)勢(shì)和實(shí)用價(jià)值，為車庫的運(yùn)行和管理提供更加智能化、安全化和舒適化的支持，節(jié)能效果明顯。

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的LED紅外感應(yīng)智能照明系統(tǒng)在高校地下車庫的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了智慧照明系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，能夠?yàn)橥愋偷叵萝噹斓闹悄苷彰鞲脑祉?xiàng)目及節(jié)能管理提供參考。

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