摘 要：高校通過(guò)采取設(shè)置長(zhǎng)明教室、安裝空調(diào)等措施，為學(xué)生提供良好學(xué)習(xí)、生活環(huán)境的同時(shí)，使得用電功率急劇增高，其中大部分照明控制仍采用傳統(tǒng)的手動(dòng)、感應(yīng)和定時(shí)等方式，難免造成電能浪費(fèi)。提出一種基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明控制方法，通過(guò)布署無(wú)線(xiàn)用電傳感器，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建智慧照明監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取校園照明情況，制定智能照明策略，遠(yuǎn)程控制各類(lèi)照明設(shè)備，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析用電情況，為節(jié)能環(huán)保提供技術(shù)方案。經(jīng)驗(yàn)證，該智慧照明系統(tǒng)具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智慧照明；數(shù)據(jù)采集；云計(jì)算；NB-IoT；通信協(xié)議；云平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-00-03

0 引 言

為響應(yīng)國(guó)家“十三五”規(guī)劃中提出的節(jié)能減排號(hào)召，各高校陸續(xù)提出“智慧節(jié)能型校園”計(jì)劃。在國(guó)外，智慧照明[1]

系統(tǒng)研發(fā)已有眾多成功案例，如飛利浦公司在家居、城市和工業(yè)等領(lǐng)域，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了照明通信組網(wǎng)以及通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端的智能照明控制，為個(gè)性化和節(jié)能化照明奠定了基礎(chǔ)。然而，國(guó)內(nèi)智慧照明尚處于發(fā)展階段，照明控制仍然采用傳統(tǒng)的手動(dòng)、感應(yīng)和定時(shí)等方式，效果不太理想。

以校園圖書(shū)館、自習(xí)室照明控制為例，目前主要采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈或關(guān)燈，存在節(jié)能效果差、線(xiàn)路繁瑣、管理不靈活等問(wèn)題；另外，傳統(tǒng)的手動(dòng)機(jī)械式開(kāi)關(guān)控制面板無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，造成電能的浪費(fèi)[2-3]。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文提出一種切實(shí)可行的校園智慧照明控制方法實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）在教學(xué)樓、圖書(shū)館、宿舍樓等區(qū)域加裝照明控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制照明；

（2）對(duì)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分，實(shí)現(xiàn)集中化、精細(xì)化分組管理；

（3）設(shè)置多種控制策略，以適應(yīng)不同場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化照明控制，如晚自習(xí)模式時(shí)亮燈，結(jié)束后自動(dòng)關(guān)燈，根據(jù)自習(xí)學(xué)生的座位分布減少不必要的照明等[4]；

（4）對(duì)照明等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，后臺(tái)自動(dòng)推送告警，通知維修人員及時(shí)維修，保證設(shè)備正常工作。

以上照明控制方法不僅能夠降低人工成本，也可以減少電能浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色照明。

1 智慧照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的智慧照明控制系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由控制器、無(wú)線(xiàn)傳感器、通信模塊、燈具模塊與云平臺(tái)等組成。

在控制器設(shè)計(jì)方面，以單燈控制實(shí)施為例，方案如圖2所示。選用STM32F103C8T6作為主控芯片，其具有以下功能

特點(diǎn)：

（1）采用2個(gè)UART 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)要保證系統(tǒng)的運(yùn)行頻率足夠高，才能較快響應(yīng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用控制需求。

（2）具備大量擴(kuò)展I/O引腳，便于后期對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行智能控制功能的擴(kuò)展。

（3）增加官方HAL庫(kù)，使得編程方便快捷并能夠滿(mǎn)足工業(yè)化需求，支持多路UART串口同時(shí)使用。

（4）功能模塊如防雷模塊、電量計(jì)量模塊、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、降壓穩(wěn)壓模塊、串口-485總線(xiàn)模塊、NB-IoT通信與定位模塊、天線(xiàn)電路模塊等實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。電量計(jì)量模塊可以采集照明等設(shè)備的電量數(shù)據(jù)（如：電壓、電流、電能等）；串口-485總線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的有線(xiàn)通信；NB-IoT與定位模塊負(fù)責(zé)TCP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)通信[5]，將照明等設(shè)備的數(shù)據(jù)、控制器的地理定位信息（經(jīng)緯度）上傳到云平臺(tái)，并接收用戶(hù)通過(guò)云平臺(tái)發(fā)來(lái)的控制命令。

LED燈光調(diào)節(jié)電路如圖3所示。自動(dòng)調(diào)光原理：白天光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值低，運(yùn)放U3反相輸入端電壓高，輸出端電壓下降；運(yùn)放U1反相輸入端電壓下降，輸出端電壓升高，經(jīng)ADJ反饋調(diào)整后，DC/DC模塊輸出電壓下降，LED燈亮度自動(dòng)減弱，甚至關(guān)閉。反之，當(dāng)光線(xiàn)變暗，光敏電阻值增大，運(yùn)放U3輸出端電壓升高，運(yùn)放U1輸出端電壓降低，經(jīng)ADJ反饋調(diào)整后，DC/DC模塊輸出電壓升高，LED燈亮度增強(qiáng)，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度。

2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為短距離和長(zhǎng)距離兩類(lèi)，短距離包括ZigBee、WiFi、Bluetooth等，長(zhǎng)距離包括CDMA、4G/5G、LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）[6]等。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)自備網(wǎng)關(guān)，無(wú)需組網(wǎng)，但傳輸距離在百米級(jí)，若對(duì)校園照明燈進(jìn)行控制，則需進(jìn)行中繼，增加了成本。NB-IoT屬于LPWAN，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)、接入容量大，適用于長(zhǎng)距離傳輸，其在大部分情況下處于休眠狀態(tài)，可通過(guò)喚醒使其工作，具備功耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，可完成系統(tǒng)中下發(fā)的各類(lèi)指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。而對(duì)于指令和數(shù)據(jù)的含義，需要設(shè)計(jì)類(lèi)似于郵件協(xié)議（POP3）的通信協(xié)議，即制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式，包括指令類(lèi)型、控制或數(shù)據(jù)信息長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)信息位（也稱(chēng)為數(shù)據(jù)載荷，存放數(shù)據(jù)信息，如電壓、電流等）以及檢驗(yàn)位（用于保證傳送數(shù)據(jù)的正確性和完整性）。

在數(shù)據(jù)通信協(xié)議方面，選用基于發(fā)布/訂閱模式的消息協(xié)議MQTT（Message Queuing Telemetry Transport），其常用于智能家具、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等場(chǎng)景。利用MQTT，設(shè)備可以方便地連接到物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理等功能[7]，如圖4所示。

通過(guò)制定一系列的Topic表示各類(lèi)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的控制，如：廣播主題（Broadcast），表示所有的控制器（集中/單燈）均可接收云平臺(tái)發(fā)送的消息；單燈控制主題：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息發(fā)送；電量數(shù)據(jù)主題：?jiǎn)螣艨刂破骰貍麟娏繑?shù)據(jù)給云平臺(tái)服務(wù)器；報(bào)警/報(bào)錯(cuò)主題：控制器定時(shí)自檢，檢測(cè)參數(shù)是否超出閾值，并檢查控制器的故障狀態(tài)，以及向云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警/報(bào)錯(cuò)消息等。主要指令/響應(yīng)見(jiàn)表1所列。

3 智慧照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，利用Spring Cloud框架的微服務(wù)技術(shù)將各功能模塊封裝成微服務(wù)，減少模塊間的耦合。智慧照明控制系統(tǒng)包含GIS地圖、設(shè)備監(jiān)控、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析等微服務(wù)，如圖5所示。

3.1 照明設(shè)備GIS地圖展示

通過(guò)對(duì)照明設(shè)備及位置進(jìn)行統(tǒng)一編碼，以GIS地圖為基礎(chǔ)進(jìn)行可視化地圖展示。本系統(tǒng)采用百度地圖API繪制地理信息，根據(jù)設(shè)備的經(jīng)緯度等位置信息將設(shè)備相關(guān)信息顯示在地圖上，如：照明設(shè)備布局、運(yùn)行狀態(tài)、故障定位、控制器分布等。另外，可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、在線(xiàn)狀態(tài)、當(dāng)前高度、負(fù)載功率等，這些信息為大數(shù)據(jù)分析模塊提供了原始數(shù)據(jù)，是節(jié)能算法建模的基礎(chǔ)。照明設(shè)備GIS地圖展示如圖6所示。

3.2 控制方案

照明設(shè)備的控制方式直接決定了電量能耗性能，系統(tǒng)可以設(shè)置場(chǎng)景控制、時(shí)控控制、智能控制等方式。其中，場(chǎng)景控制將多個(gè)照明設(shè)備編制成組，制定全開(kāi)、全關(guān)和半亮等場(chǎng)景；時(shí)控控制可提前設(shè)置一天、一周、一個(gè)月等的調(diào)光計(jì)劃，另外可根據(jù)時(shí)間段、光照強(qiáng)弱[8-9]、人員多少與分布進(jìn)行控制；智能控制則利用群體、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法，將照明場(chǎng)景元素（燈數(shù)量、亮度、人員分布）作為輸入，以控制方式為輸出，以節(jié)能照明（即總能耗最低）為優(yōu)化目標(biāo)，獲取最優(yōu)控制方案。

3.3 大數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔，如2 s或5 s，從各類(lèi)照明設(shè)備收集各項(xiàng)參數(shù)。借助云服務(wù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、規(guī)范化、融合等預(yù)處理。然后利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，進(jìn)行橫向、縱向?qū)Ρ纫约皵?shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)聯(lián)分析，并結(jié)合百度Echarts圖表插件對(duì)區(qū)域亮燈率、時(shí)間段節(jié)能效果、故障等進(jìn)行分析展示。同時(shí)，分析故障原因與區(qū)域、時(shí)間的關(guān)系。另外，利用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long-Short Term Memory， LSTM）、門(mén)控循環(huán)單元（Gate Recurrent Unit， GRU）等循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立能耗預(yù)測(cè)模型，為智慧照明控制提供決策依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)高校照明存在的不足，提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明控制方法，結(jié)合GIS、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、節(jié)能控制，提升了照明設(shè)備的運(yùn)行效率、降低了能耗、減少了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為創(chuàng)建節(jié)能式高校提供了依據(jù)[10]。

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