CN102305381B

CN102305381B - 一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102305381B
Application number: CN 201110189994
Authority: CN
Inventors: 王卓然; 袁国慧
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN102305381A

Abstract

本发明公开了一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统及其控制方法。所述集成系统，包括至少一个灯光照明模块和日光照明模块、一个上位机模块、至少一个室内射频识别(RFID)标签传感模块、日光RFID读写模块、室外RFID标签传感模块、灯光RFID读写模块、灯光中央控制模块和灯光亮度调节模块；所述上位机模块具有无线传输接口单元和上位机单元，所述无线传输接口单元用于接收来自室外RFID标签传感模块的日光信息和来自室内RFID标签传感模块的照明信息并将上述信息传输到上位机单元。本发明的有益效果是：利用物联网技术对现有的灯光照明模块和日光照明模块进行整合组网，综合利用日光和灯光，可以稳定的提供室内照明。

Description

一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统及其控制方法

技术领域

本发明属于照明技术领域，尤其涉及将灯光照明和日光照明混合集成的技术领域。

背景技术

当下，能源短缺是人类社会需要面对的严峻挑战与重大问题，如何降低能耗已经成为社会长期可持续稳定发展的亟待解决的核心问题。我国是全世界自然资源浪费最严重的国家之一，据统计中国的能源使用效率仅为美国的四分之一左右，日本的十分之一左右。在众多的能源问题中，电能的短缺是制约经济又好又快发展并进一步改善人民生活的重要问题之一。针对这一现状，我国提出了“节能减排”的号召并致力于提高能源的高效使用。

而在现代建筑中，照明的能源消耗占整个电能消耗的比例很高，传统的灯光照明系统由于其管理落后、低光效、低寿命、布线复杂等问题，造成了大量的能源浪费，因此改造现有灯光照明系统如使用节能灯是达到节能的有效办法。同时，由于当外界阳光普照的时候，大量的建筑内部如停车场、超市、办公场所等仍需在室内采用灯光照明系统，浪费了大量的电能。针对这一缺陷，出现了可以将室外的日光引入到室内使用的日光照明系统，可以显著的达到节能效果。但是，现有技术并没有很好的解决灯光照明系统和日光照明系统之间的协调互补，两种照明系统各自独立的工作使室内的光照情况未达到理想状态因此如何将灯光照明系统和日光照明系统有机的结合起来达到智慧照明效果以实现更大程度上的节能环保效果是本领域技术人员一直难以解决的技术难点。

发明内容

本发明的目的是为了更好的将灯光照明系统和日光照明系统有机的结合起来达到良好的照明效果和节能效果，在此目的上，提出了一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统及其控制方法。

本发明的技术方案之一是：一种灯光照明和日光照明集成系统，包括至少一个灯光照明模块和日光照明模块，其特征在于，

还包括一个上位机模块、至少一个室内射频识别(RFID)标签传感模块、日光RFID读写模块、室外RFID标签传感模块、灯光RFID读写模块、灯光中央控制模块和灯光亮度调节模块；

所述上位机模块具有无线传输接口单元和上位机单元，所述无线传输接口单元用于接收来自室外RFID标签传感模块的日光信息和来自室内RFID标签传感模块的照明信息并将上述信息传输到上位机单元；

所述室外RFID标签传感模块放置于外部空间用于采集室外的日光信息，所述日光RFID读写模块读取室外RFID标签传感模块中的日光信息后将该日光信息通过上位机模块的无线传输接口单元传输到上位机单元，所述上位机单元通过无线传输接口单元与日光照明模块连接发出控制命令自动调节其照明参数和位置参数；

所述室内RFID标签传感模块放置于灯光照明模块的照明空间内用于采集室内照明信息，所述灯光RFID读写模块读取室内RFID标签传感模块中的照明信息后将该照明信息通过上位机模块的无线传输接口单元传输到上位机单元，所述上位机单元通过无线传输接口单元与灯光中央控制模块连接向其发出控制命令，所述灯光中央控制模块与灯光亮度调节模块连接用以根据控制命令控制灯光亮度调节模块自动调节灯光照明模块的光照亮度。

本发明的技术方案之二是：一种灯光照明和日光照明复合集成系统，其特征在于，包括至少一个如上所述的一种灯光照明和日光照明集成系统，所述灯光照明和日光照明集成系统包括一个上位机模块，所述上位机模块具有无线传输接口单元、上位机单元和网络接口单元，所述无线传输接口单元用于通过无线通信网络与手机终端连接并接受手机终端对上位机模块的控制，所述网络接口单元通过互联网与远程控制终端连接并接受远程控制终端对上位机模块的控制。

本发明的技术方案之三：一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统及其控制方法，包括如下步骤：

步骤1：上位机模块开启，预先设定室内光照强度值，通过上位机模块的无线传输接口单元开启相应的日光照明模块，并通过灯光中央控制模块开启相应的灯光照明模块；

步骤2：通过室内RFID标签传感模块采集室内照度信息，室内光照情况被灯光RFID读写模块采集到并通过与上位机模块的无线传输接口单元传递到上位机单元；

步骤3：通过室外RFID标签传感模块采集室外光照信息，室外光照情况被日光RFID读写模块采集到并通过与上位机模块的无线传输接口单元传递到上位机单元；

步骤4：上位机单元综合来自室内的照明信息和室外的日光信息，判断是否达到预先设定的室内光照强度值；

步骤5：如室内光照强度已到达或超过预设值(如日间)，则上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元控制灯光中央控制模块，灯光中央控制模块利用亮度调节模块调节灯光照明模块，减弱灯光照明强度甚至关闭灯光照明模块，如果室内光照强度仍然超过预设值，则需要上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元进一步通过日光照明模块减弱日光照明强度以达到预先设定的室内光照强度值，之后重复步骤2-4，继续监控室内照明情况；

步骤6：如室内光照强度未到达预设值，则上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元控制上位机模块日光照明模块，寻找并达到日光照明强度，如室内光照强度仍未到达预设值，则上位机单元还需通过无线传输接口单元利用灯光中央控制模块控制亮度调节模块调节灯光照明模块，增强灯光照明强度，以达到预先设定的室内光照强度值，之后重复步骤2-4，继续监控室内照明情况。

本发明的有益效果是：本发明利用物联网技术对现有的灯光照明模块和日光照明模块进行整合组网，通过RFID标签传感模块和RFID读写器模块实现了日光信息和照明信息的整合，通过上位机模块对多个灯光中央控制模块发出控制命令控制建筑内部不同位置的灯光参数，通过上位机模块控制多个日光照明模块的位置参数，综合利用日光和灯光，可以稳定的提供室内照明，有效地解决了日间建筑内部只能通过灯光照明模块进行照明导致的能源浪费。同时，通过上位机模块连接的互联网络和无线网络允许授权用户通过手机终端或远程控制终端实时监控建筑内部各部分的光照情况及每个照明设备的传感参数、设备状态与参数，达到室内各部分照明设备的最优化分配使用和智能化控制。

附图说明

图1是本发明的灯光照明和日光照明集成系统的系统框图。

图2是本发明的灯光照明和日光照明集成系统的RFID标签传感模块的结构框图。

图3是本发明的灯光照明和日光照明集成系统的灯光中央控制模块的结构框图。

图4是本发明的灯光照明和日光照明集成系统的灯光亮度调节模块的从控单元的结构框图。

图5是本发明的灯光照明和日光照明集成系统的日光照明模块的结构框图。

图6是本发明的灯光照明和日光照明复合集成系统的系统结构示意图。

图7是本发明的灯光和日光混合集成的智慧照明系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1所示，一种灯光照明和日光照明集成系统，包括至少一个灯光照明模块和日光照明模块，其特征在于，

还包括一个上位机模块、至少一个室内RFID标签传感模块、日光RFID读写模块、室外RFID标签传感模块、灯光RFID读写模块、灯光中央控制模块和灯光亮度调节模块；

上面已经简要的描述了本发明的灯光照明和日光照明集成系统的简要结构，下面结合其功能和使用情况对上述集成系统做进一步的说明。

上述灯光照明和日光照明集成系统被使用在一栋大楼中，通常一栋大楼设置一个集成系统，比如，在公共图书馆大楼中设置了这样一个集成系统，由于公共图书馆具有很多不同用途的部分，对照明要求各不相同，如公共阅览室、厕所、计算机室、储藏室、休息室、公共区域等，我们在这样一栋具有多个房间的大楼内分别安装好日光照明模块和灯光照明模块，这里我们将日光照明模块和灯光照明模块作为一个“黑匣子”，即认为日光照明模块和灯光照明模块均看作是一个现有的已经可以独立实现灯光照明和日光照明的系统，本申请人没有对这两个系统内部做出创新性的改进，因此我们不对日光照明模块和灯光照明模块做详细的描述，但是这并不影响本领域的普通技术人员理解本方案的实施。本实施例中，我们也假定集成系统可以包括一个或多个灯光照明模块和日光照明模块，比如一个房间可以配置一个灯光照明模块和日光照明模块，大的房间如公共阅览室可以配置一个灯光照明模块或多个日光照明模块，也可以配置多个灯光照明模块或多个日光照明模块；通常我们也假定每一个灯光照明模块均对应一个灯光亮度调节模块，当然也可以由多个灯光照明模块均对应一个灯光亮度调节模块；通常我们假定多个灯光亮度调节模块对应一个灯光中央控制模块并受其控制，当然也可以由一个灯光亮度调节模块对应一个灯光中央控制模块并受其控制；由于灯光照明模块、灯光亮度调节模块和灯光中央控制模块的配置比较灵活并且在本发明中被作为现有技术对待，因此在概括过程中我们采用“至少一个”的语言来同意概括上述任意配置的情况。

在公共图书馆大楼的照明系统由日光照明和灯光照明两部分组成。白天时日光照明和灯光照明综合作用为公共图书馆大楼提供稳定的照明，夜晚时则单独由灯光照明为大楼提供稳定照明；即使白天时，由于天气阴晴的变化和不同时间段阳光强度和角度的变化，都会使得日光照明不能一直处于稳定的状态，因此，我们需要不断的监控日光信息并实时的调整灯光照明以补偿日光照明所带来的室内照明的不稳定。

结合到本实施例中，白天开启本发明的集成系统后，灯光照明模块和日光照明模块的综合作用下共同为室内提供稳定的照明，随着日光角度和强度的变化，室外RFID标签传感模块采集到这些变化的日光信息后，被日光RFID读写模块采集到并通过上位机模块的无线传输接口单元传递到上位机单元。同时，室内RFID标签传感模块也将采集到的室内照明信息通过灯光RFID读写模块传递到上位机模块的上位机单元，上位机单元综合来自室内的照明信息和室外的日光信息，根据室内照明预先设定的参数(通常认为室内照明应该保持稳定，因此该参数通常为一恒定值)可以非常容易的计算得到此时达到稳定的室内照明要求下，灯光照明模块和日光照明模块各自应该提供的光照比例，日光强则减少灯光强度，日光弱则加强灯光，同时由于日光角度的不断变化是具有稳定的规律，我们还可以由上位机单元提前设定不同季节下不断的跟踪太阳以保证最大程度的利用日光，由于灯光强度的控制过程和对太阳的跟踪过程在本实施例中被认为是本领域的普通技术人员容易实现而被作为现有技术，因此不再详细描述。

下面，我们在对上述实施例的集成系统的模块，有选择的做出详细描述，没有被详细描述的模块在本实施例中均是本领域普通技术人员容易实现的。

本实施例中，如图2所示，室内RFID标签传感模块和室外RFID标签传感模块其结构原理是相同的，只是为了便于本领域的普通技术人员理解本发明，将RFID标签传感模块从功能的角度人为的分为室内RFID标签传感模块和室外RFID标签传感模块。RFID标签传感模块包括了传感器单元和RFID标签单元两部分，前述两单元既可以在物理上整合在一起，也可以在物理上分离，两者一起实现室内或室外信息采集和无线传输的作用。如图1所示，RFID标签单元包括了微处理器以及分别与微处理器连接的电源、RF芯片、照度监测电路、红外监测电路和温度监测电路，传感器单元则可以对应的配置照度传感器、红外传感器和温度传感器，这些传感器则采用常规的方式与照度监测电路、红外监测电路和温度监测电路连接将监测到的照度信息、红外信息和温度信息传输到电子标签。

本实施例中，日光RFID读写模块和灯光RFID读写模块其结构原理也是相同的，也是为了便于本领域的普通技术人员理解本发明，将RFID读写模块从功能的角度人为的分为日光RFID读写模块和灯光RFID读写模块。RFID读写模块通常可以采用标准的RFID读写器，也可以为了便于使用采用标准的移动式RFID读写器，RFID读写模块可以无线的读取RFID标签传感模块采集到的各种信息如室外日光信息和室内光照信息读取并存储到RFID读写模块中，在需要的时候再传输到上位机模块。上述的RFID读写模块可以单独存在，也可以集成在其他模块上实现同样的功能。RFID读写模块单独存在时，RFID读写模块采用移动式RFID读写器，RFID标签发送的信号也可以被授权的移动移动式RFID读写器接收，经过授权的用户可以通过移动便携式RFID阅读器现场收集数据并传送至上位机。

使用RFID技术可将目前的数据有线传输方式改良为无线传输方式，即在RFID标签和RFID阅读器间传递，省去了大量的电缆连接，提高了系统的可靠性和维护性；RFID阅读器可以远距离同时识别多个标签，节省了成本，并可以实时记录传感信息，并可方便的新增、更改和删除，照明信息上传至上位机后，上位机可以实现对照明系统的透明管理，即真正意义上的基于“物联网”的智慧照明。由于上述RFID标签传感模块和RFID读写模块均可以采用现有技术中的标准设备，因此不再详细描述。

本实施例中，如图3所示，灯光中央控制模块包括微控制器、电源、无线收发单元、数字可寻址照明接口(DALI)接口、LCD显示和按钮与拨码开关等单元。也可以将上述的RFID读写模块集成在灯光中央控制模块中，这样需要再增加RF芯片和天线与微处理器连接，RF芯片主要由发送电路和接收电路组成，用以接收和解调来自电子标签的射频信号。接收信号过程如下：天线接收RFID标签发出的信号，RF芯片对其进行解调，恢复数字基带信号，数据经过微处理器后通过无线收发单元将环境变量信号传送到上位机模块。发送信号过程如下：上位机通过无线收发单元将控制信号传送至微处理器，经RF芯片对数字基带信号进行处理，然后通过天线将信息发送给RFID标签。

本实施例中，灯光亮度调节模块由从控单元和调光整流器组成，调光整流器与灯光照明模块连接，如图4所示，从控单元由微控制器、荧光灯关断电路、脉宽调光接口、DALI接口、LCD显示、按钮与拨码开关等组成。中央控制模块通过DALI接口控制多个从控单元(每个中央控制模块可控制的从控单元的数目不超过64个)，进而利用脉宽调光(PWM)接口调节每个灯光照明模块的调光整流器，实现灯光照明模块的调光、开关、场景设置等功能，通过无线收发单元接收灯光照明模块的信息，达到闭环控制，并通过无线收发单元与上位机模块通信，实现智能照明远程控制与场景预设功能，也可以通过按钮与拨码开关直接输入控制参数或命令，相关信息可通过LCD显示。

本实施例中，如图5所示，日光照明模块包括散光发射单元、光纤网络、日光聚集镜头、光敏传感器、驱动单元、日光自动跟踪单元、信号调理电路和无线收发单元，采用菲涅耳透镜阵列作为聚集太阳光的日光聚集镜头，利用安装在镜头上的光敏传感器和后续的信号调理电路，将太阳方位角信息提取出来，交由日光自动跟踪单元处理，输出信号至日光自动跟踪单元驱动对应的驱动单元的机电结构使日光聚集镜头始终正对太阳。日光聚集镜头使阳光汇聚后耦合到光纤网络，传输至楼宇各个部分经散光发射单元后进行照明。柔软的光纤具有易铺设的优良特性，易于安装且光照分布均匀。日光照明模块通过无线收发单元与上位机模块进行通信，将日光聚集镜头方位角、光照度、系统运行时间等参数传至上位机模块，上位机模块也可以远程控制日光聚集镜头的转动及复位，以便统筹管理。日光照明模块也可以设置RFID标签将以上参数收集并存储，利用日光RFID读写模块(移动便携式RFID阅读器)获取信息并传送至上位机。

实施例2：如图6所示，一种灯光照明和日光照明集成复合系统，包括一个或多个如图1所述的一种灯光照明和日光照明集成系统，所述灯光照明和日光照明集成系统包括一个上位机模块，所述上位机模块具有无线传输接口单元、上位机单元和网络接口单元，所述无线传输接口单元用于通过无线通信网络与手机终端连接并接受手机终端对上位机模块的控制，所述网络接口单元通过互联网与远程控制终端连接并接受远程控制终端对上位机模块的控制。本实施例，可以用于住宅小区内部对多栋楼房的公共照明部分进行集中管理，该复合系统中的无线通信网络可以是GPRS/GSM无线通信网络，该复合系统被分别设置在不同的楼宇11内，各楼宇中均具有一个灯光照明和日光照明集成系统，每个集成系统对应一台上位机模块12，上位机12通过互联网13连接远程控制终(端即客户端)15；上位机也可通过无线通信网络14与手机终端16连接。所述上位机模块通过无线传输接口连接楼宇内各房间与功能区域的灯光中央控制模块，建立数据库对传感信息及照明数据进行统一维护管理。利用Java开发Web应用程序，允许授权用户通过互联网登陆程序界面查看灯光照明模块状态、室内环境参数，根据全局优化结果发送控制命令到各灯光中央控制模块并远程控制灯光照明模块；上位机与无线传输接口相连，也利用GPRS/GSM无线网络实现上位机与用户手机的无线通信功能，允许授权用户利用手机发送控制命令到各中央控制单元并远程控制照明设备。

本方法以实施例1所述的系统为基础，对该系统的控制方法进行描述，如图7所示，包括如下步骤：

步骤6：如室内光照强度未到达预设值，则上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元控制上位机模块日光照明模块，寻找并达到日光照明强度，如室内光照强度仍未到达预设值，则上位机单元还需通过无线传输接口单元利用灯光中央控制模块控制亮度调节模块调节灯光照明模块，增强灯光照明强度，以达到预先设定的室内光照强度值，之后重复步骤2-4，继续监控室内照明情况；

步骤7：在室内不需要光照时，关闭相应的日光照明模块和灯光照明模块，如整栋大楼不需要光照时，在关闭全部日光照明模块和灯光照明模块后关闭上位机模块。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种灯光照明和日光照明集成系统，包括至少一个灯光照明模块和日光照明模块，其特征在于，

还包括一个上位机模块、至少一个室内射频识别标签传感模块、日光射频识别读写模块、室外射频识别标签传感模块、灯光射频识别读写模块、灯光中央控制模块和灯光亮度调节模块；

所述上位机模块具有无线传输接口单元和上位机单元，所述无线传输接口单元用于接收来自室外射频识别标签传感模块的日光信息和来自室内射频识别标签传感模块的照明信息并将上述信息传输到上位机单元；

所述室外射频识别标签传感模块放置于外部空间用于采集室外的日光信息，所述日光射频识别读写模块读取室外射频识别标签传感模块中的日光信息后将该日光信息通过上位机模块的无线传输接口单元传输到上位机单元，所述上位机单元通过无线传输接口单元与日光照明模块连接发出控制命令自动调节其照明参数和位置参数；

所述室内射频识别标签传感模块放置于灯光照明模块的照明空间内用于采集室内照明信息，所述灯光射频识别读写模块读取室内射频识别标签传感模块中的照明信息后将该照明信息通过上位机模块的无线传输接口单元传输到上位机单元，所述上位机单元通过无线传输接口单元与灯光中央控制模块连接向其发出控制命令，所述灯光中央控制模块与灯光亮度调节模块连接用以根据控制命令控制灯光亮度调节模块自动调节灯光照明模块的光照亮度。

2.根据权利要求1所述的一种灯光照明和日光照明集成系统，其特征在于，所述射频识别标签传感模块包括了传感器单元和射频识别标签单元两部分，前述两单元在物理上整合在一起，或在物理上分离，两者一起实现室内或室外信息采集和无线传输的作用。

3.根据权利要求2所述的一种灯光照明和日光照明集成系统，其特征在于，射频识别标签单元包括了微处理器以及分别与微处理器连接的电源、RF芯片、照度监测电路、红外监测电路和温度监测电路，传感器单元则对应的配置照度传感器、红外传感器和温度传感器，这些传感器则采用常规的方式与照度监测电路、红外监测电路和温度监测电路连接将监测到的照度信息、红外信息和温度信息传输到电子标签。

4.一种灯光照明和日光照明复合集成系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1所述的一种灯光照明和日光照明集成系统，所述灯光照明和日光照明集成系统包括一个上位机模块，所述上位机模块具有无线传输接口单元、上位机单元和网络接口单元，所述无线传输接口单元用于通过无线通信网络与手机终端连接并接受手机终端对上位机模块的控制，所述网络接口单元通过互联网与远程控制终端连接并接受远程控制终端对上位机模块的控制。

5.一种混合集成灯光与日光的智慧照明系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤2：通过室内射频识别标签传感模块采集室内照度信息，室内光照情况被灯光射频识别读写模块采集到并通过与上位机模块的无线传输接口单元传递到上位机单元；

步骤3：通过室外射频识别标签传感模块采集室外光照信息，室外光照情况被日光射频识别读写模块采集到并通过与上位机模块的无线传输接口单元传递到上位机单元；

步骤5：如室内光照强度已到达或超过预设值，则上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元控制灯光中央控制模块，灯光中央控制模块利用亮度调节模块调节灯光照明模块，减弱灯光照明强度甚至关闭灯光照明模块，如果室内光照强度仍然超过预设值，则需要上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元进一步通过日光照明模块减弱日光照明强度以达到预先设定的室内光照强度值，之后重复步骤2-4，继续监控室内照明情况；

步骤6：如室内光照强度未到达预设值，则上位机模块的上位机单元通过无线传输接口单元控制上位机模块日光照明模块，寻找并达到日光照明强度,如室内光照强度仍未到达预设值，则上位机单元还需通过无线传输接口单元利用灯光中央控制模块控制亮度调节模块调节灯光照明模块，增强灯光照明强度，以达到预先设定的室内光照强度值，之后重复步骤2-4，继续监控室内照明情况。