CN103796396A - 实现楼宇照明节能控制的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现楼宇照明节能控制的系统及方法，其中包括第一终端节点，用以采集人员信息；第二终端节点，用以采集光线强度信息；第三终端节点，用以根据照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；路由节点，用以接收第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息后进行综合处理并选择与房间适合的照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。采用该种结构的实现楼宇照明节能控制的系统及方法，不但可以工作于全自动状态，根据室内场景变化自动切换照明模式，还具备节能的特点，最大限度降低能源消耗，克服了传统照明控制系统管理落后、浪费能源、舒适性差及布线复杂等缺陷，具有更广泛的应用范围。

Description

实现楼宇照明节能控制的系统及方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及楼宇照明节能领域，具体是指一种实现楼宇照明节能控制的系统及方法。

背景技术

现有的楼宇灯光控制系统，大多采用DALI协议，将终端照明控制器分区域、总线等接入到DALI控制系统中，实现对照明的控制。

采用DALI协议的照明控制系统，需要复杂的布线工程。其总线容量也较小，数据帧长度也较短，需要较为复杂的网络拓扑设计才能实现功能。

目前，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式。传统照明控制系统控制方式单一，只有开和关两种状态；管理方式落后，需要人为管理。这样不仅不能满足人们对照明模式多样的追求，而且更容易造成能源浪费。例如，当人离开房间忘记关灯时，就会出现“长明灯”现象。因此，随着社会的不断发展，传统照明控制系统越来越难以满足人们的需求。

近年来，国内外许多研究人员对室内照明智能控制系统的相关技术已经做了很多工作。目前主流的节能型照明智能控制系统主要是有线控制，也有采用射频和蓝牙技术的无线照明控制系统。然而，专门针对传感器网络技术的节能型室内照明智能控制的研究工作却很少。

在此背景下，本设计结合近来在国内发展迅猛物联网技术，提出了一种新型的智能照明控制系统。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现工作于全自动状态、根据室内场景变化自动切换照明模式、在满足人们照明需求的条件下最大限度降低能源消耗、具有更广泛应用范围的实现楼宇照明节能控制的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的实现楼宇照明节能控制的系统及方法具有如下构成：

该实现楼宇照明节能控制的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

第一终端节点，各个房间设置有数个第一终端节点，所述的第一终端节点用以采集室内的人员信息；

第二终端节点，各个房间设置有数个第二终端节点，所述的第二终端节点用以采集室内的光线强度信息；

第三终端节点，各个房间设置有数个第三终端节点，所述的第三终端节点用以根据照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；

路由节点，各个路由节点分别与各个房间一一对应，所述的路由节点用以接收所对应房间内各个第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息后进行综合处理并选择与房间适合的照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。

较佳地，所述的第一终端节点包括：

红外传感器，用以采集室内的人员信息；

无线收发模块，用以将所述的室内的人员信息发送至所对应的路由节点。

更佳地，各个房间内具有至少一个设于房间入口处的第一终端节点和至少一个设于房间内部的第一终端节点。

较佳地，所述的第二终端节点包括：

光敏传感器，用以采集室内的光线强度信息；

无线收发模块，用以将所述的光线强度信息发送至所对应的路由节点。

较佳地，所述的第三终端节点包括：

照明模式设置模块，用以根据所述的路由节点发送的照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；

无线收发模块，用以接收所述的路由节点发送的照明模式控制指令。

较佳地，所述的路由节点包括：

照明模式选择模块，用以根据所对应房间内的人员信息和光线强度信息，从预先设计好的照明模式中选择一种和当前房间场景相对应的照明模式；

无线收发模块，用以接收所对应房间内各个第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息并将照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。

较佳地，所述的系统还包括：

基站节点，用以监控所属范围内的各个路由节点的工作状态以及预设各个路由节点对应房间的照明模式；

现场总线网关，各个基站节点通过所述的现场总线网关进行与控制电脑的通信。

本发明还涉及一种基于所述的系统实现楼宇照明节能控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的路由节点根据所述的第一终端节点发送的人员信息判断所对应的房间内是否有人，如果是，则继续步骤（2），否则继续步骤（4）；

（2）所述的路由节点根据所述的第二终端节点发送的光线强度信息判断当前房间内光线亮度是否足够，如果是，则继续步骤（4），否则继续步骤（3）；

（3）所述的路由节点根据所述的人员信息和光线强度信息选择与房间适合的照明模式并将照明模式控制指令发送至所述的第三终端节点，然后继续步骤（5）；

（4）所述的路由节点发送关闭所对应房间内所有灯光的照明模式控制指令至所述的第三终端节点，然后继续步骤（5）；

（5）所述的第三终端节点根据所述的路由节点发送的照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置。

采用了该发明中的实现楼宇照明节能控制的系统及方法，具有如下有益效果：

该系统由若干网络节点组成，各节点通过自治组网进行通信。整个系统工作于全自动工作状态，通过采集外界环境信息，并根据这些信息的变化来自动切换和设置相应的照明模式。例如，当人员全部离开房间时，系统自动调整房间照明模式为关闭室内所有照明灯，从而避免了“长明灯”现象。本发明的照明控制系统是物联网技术的一个典型应用，它不但可以工作于全自动状态，根据室内场景变化自动切换照明模式，还具备节能的特点，使得在满足人们照明需求的条件下，最大限度降低能源消耗，克服了传统照明控制系统管理落后、浪费能源、舒适性差及布线复杂等缺陷，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的实现楼宇照明节能控制的系统的结构示意图。

图2为本发明的现场总线网关接入的结构示意图。

图3为本发明的实现楼宇照明节能控制的系统应用于实施例的布置于房间中的示意图。

图4为本发明的实现楼宇照明节能控制的方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本系统采用由终端节点、路由节点和协调器节点组成的Mesh拓扑结构的无线传感器网络来实现，如图1所示。网络中各节点通过自治组网进行通信，通信距离为30米～70米，可以覆盖整幢大楼。楼宇中每个房间对应一个路由节点和若干终端节点，这些节点构成了本房间内的照明自主控制子系统。

整个系统由基站节点与各房间自主控制子系统组成，在无线射频的有效通信距离内，各子系统通过各自的路由节点相互转发信息，进而形成到基站节点的多跳网络，实现与基站节点的信息交互。

如图2所示，为了实现用户与楼宇控制系统的交互，系统中将引入现场总线网关。该网关将集成Sink节点直接相连。主要用来监控整个网络，它既可以在PC机终端界面上显示网络的拓扑结构图及各节点的工作状态信息，也可以向路由节点发送命令，预设对应房间的照明模式。

房间自主控制子系统：

房间自主控制子系统对应无线传感器网络中的星型网络，一般由一个路由节点和若干终端节点组成，各终端节点不能相互通信，只能与本房间对应的路由节点交互信息。终端节点处于网络的最下层，它们的主要作用是采集当前房间内的人员个数、位置及光线强度信息，并将这些信息发给相应的路由节点；另一方面，终端节点还根据接收到的路由节点的指令来设置房间的照明模式。根据终端节点不同的作用，分为采集人员信息的第一终端节点，采集光线强度信息的第二终端节点和设置房间的照明模式的第三终端节点。

由于楼宇内部所有的区域都可以抽象地按照房间划分区域。下面以一个房间的自主控制子系统节点布置为例说明。如图3所示，房间入口处上侧为0号路由节点，编号为①、②的两个节点为第一终端节点，用于采集进入房间内人员个数。靠窗的

和两第二终端节点用于采集当前房间内的光线强度信息。负责采集人员在房间内位置信息的第一终端节点为⑤、⑥、⑦、⑧号终端节点。剩余的

三个第三终端节点用来控制房间照明模式的设置，其中

节点控制室顶四盏下照灯，节点控制矩形桌旁的两盏壁灯，

节点控制书桌上的台灯。

节点类型：

系统共用到三种类型的节点：终端节点、路由节点和Sink节点（即基站节点）。每种节点在硬件层次上都必须包括一个主控模块(单片机)和一个无线收发模块。终端节点负责采集外部环境信息，还应搭载相应的传感器(光敏和红外传感器)。为了实现Sink节点与PC机的通信，本系统为Sink节点配置了一个RS232接口(还可以采用其它方法，如无线通信方法)。

第一终端节点包括：

红外传感器，用以采集室内的人员信息；

无线收发模块，用以将人员信息发送至所对应的路由节点。

第二终端节点包括：

光敏传感器，用以采集室内的光线强度信息；

无线收发模块，用以将光线强度信息发送至所对应的路由节点。

第三终端节点包括：

照明模式设置模块，用以根据所述的路由节点发送的照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；

无线收发模块，用以接收所述的路由节点发送的照明模式控制指令。

路由节点包括：

照明模式选择模块，用以根据所对应房间内的人员信息和光线强度信息，从预先设计好的照明模式中选择一种和当前房间场景相对应的照明模式；

无线收发模块，用以接收所对应房间内各个第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息并照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。

房间子系统控制过程实现：

房间自主控制子系统由一个路由节点和若干终端节点组成。载有传感器(红外传感器或光敏传感器)的终端节点负责采集进入房间的人员个数、人员在室内的位置信息以及当前房间内的光线强度，并将这些信息转发给本房间对应的路由节点；然后，由路由节点对这些信息进行综合处理，并从预先设计好的照明模式中选择一种和当前房间场景相对应的模式发送给控制照明模式的终端节点；最后，由该终端节点设置相应的照明模式，如图3下半部分所示。

（1）人员进出房间判断：人员进出房间的判断由两个载有红外传感器的第一终端节点来实现，如图2中编号为①、②的两个节点。将与传感器相连的单片机引脚配置为双边沿触发中断，这样只有当①、②先后产生上升沿中断，接着又先后产生下降沿中断时，才认为有人进入了房间；同样，只有②、①先后产生上升沿中断，接着又先后产生下降沿中断，才认为有人离开房间。对于其它的中断触发情况，均不认为当前房间内人员个数有变化。

（2）光线强度判断：光线强度判断模块由载有光敏传感器的第二终端节点实现。本系统使用两个载有光敏传感器的第二终端节点，对应图2中靠窗的

和

节点。

考虑到光敏传感器自身的特性与人们的具体需求，将两个载有光敏传感器的终端节点一个置于室外，一个置于室内人们拉上窗帘可以遮挡住的地方。

将一个节点置于室外，主要原因是光敏传感器能感测到室内照明灯自身的亮度。因此，如果将光敏传感器都安装在室内能感测到照明灯光线的地方，当照明灯点亮时，光敏传感器就会得到光线强度较亮的结果，从而引起路由节点关闭照明灯，接着又会感测到黑暗的结果，再次设置照明灯亮起，从而造成室内照明模式在亮暗间循环设置。

将一个载有光敏传感器的终端节点置于室内窗帘可以遮挡住的地方，则是为了满足人们需求。当白天室内人员拉上窗帘时，室内光敏传感器感测到阴暗的结果，进而触发设置照明灯点亮的照明模式，从而避免白天拉上窗帘时室内漆黑的结果。

最后，对两个光敏传感器感测到的结果，总是选择最为漆黑的值作为有效值。

（3）室内人员位置信息判别模块。室内人员位置信息的判别由载有红外传感的终端节点来实现。根据红外传感的探测距离及室内空间的大小，可以合理安排红外终端节点的个数及具体位置。如图3中，编号为⑤、⑥、⑦、⑧的节点即为室内定位的红外终端节点。

（4）照明模式判断模块。照明模式的判断由路由节点根据当前室内人员个数、光线强度以及室内人员位置信息来实现。

路由节点首先判断房间内有没有人，若没人，则设置关闭室内所有照明灯(若干照明模式之一)。若有人，再判断室内光线强度级别，如果室内光线较亮，仍设置关闭所有照明灯；否则，再根据室内人员的位置信息来确定相应的照明模式。其控制流程如图4所示。

采用了该发明中的实现楼宇照明节能控制的系统及方法，具有如下有益效果：

该系统由若干网络节点组成，各节点通过自治组网进行通信。整个系统工作于全自动工作状态，通过采集外界环境信息，并根据这些信息的变化来自动切换和设置相应的照明模式。例如，当人员全部离开房间时，系统自动调整房间照明模式为关闭室内所有照明灯，从而避免了“长明灯”现象。本发明的照明控制系统是物联网技术的一个典型应用，它不但可以工作于全自动状态，根据室内场景变化自动切换照明模式，还具备节能的特点，使得在满足人们照明需求的条件下，最大限度降低能源消耗，克服了传统照明控制系统管理落后、浪费能源、舒适性差及布线复杂等缺陷，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的系统包括：

第一终端节点，各个房间设置有数个第一终端节点，所述的第一终端节点用以采集室内的人员信息；

第二终端节点，各个房间设置有数个第二终端节点，所述的第二终端节点用以采集室内的光线强度信息；

第三终端节点，各个房间设置有数个第三终端节点，所述的第三终端节点用以根据照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；

路由节点，各个路由节点分别与各个房间一一对应，所述的路由节点用以接收所对应房间内各个第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息后进行综合处理并选择与房间适合的照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。

2.根据权利要求1所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的第一终端节点包括：

红外传感器，用以采集室内的人员信息；

无线收发模块，用以将所述的室内的人员信息发送至所对应的路由节点。

3.根据权利要求2所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，各个房间内具有至少一个设于房间入口处的第一终端节点和至少一个设于房间内部的第一终端节点。

4.根据权利要求1所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的第二终端节点包括：

光敏传感器，用以采集室内的光线强度信息；

无线收发模块，用以将所述的光线强度信息发送至所对应的路由节点。

5.根据权利要求1所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的第三终端节点包括：

照明模式设置模块，用以根据所述的路由节点发送的照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置；

无线收发模块，用以接收所述的路由节点发送的照明模式控制指令。

6.根据权利要求1所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的路由节点包括：

照明模式选择模块，用以根据所对应房间内的人员信息和光线强度信息，从预先设计好的照明模式中选择一种和当前房间场景相对应的照明模式；

无线收发模块，用以接收所对应房间内各个第一终端节点和第二终端节点发送的人员信息和光线强度信息并将照明模式控制指令发送至所对应的第三终端节点。

7.根据权利要求1所述的实现楼宇照明节能控制的系统，其特征在于，所述的系统还包括：

基站节点，用以监控所属范围内的各个路由节点的工作状态以及预设各个路由节点对应房间的照明模式；

现场总线网关，各个基站节点通过所述的现场总线网关进行与控制电脑的通信。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的系统实现楼宇照明节能控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的路由节点根据所述的第一终端节点发送的人员信息判断所对应的房间内是否有人，如果是，则继续步骤（2），否则继续步骤（4）；

（2）所述的路由节点根据所述的第二终端节点发送的光线强度信息判断当前房间内光线亮度是否足够，如果是，则继续步骤（4），否则继续步骤（3）；

（3）所述的路由节点根据所述的人员信息和光线强度信息选择与房间适合的照明模式并将照明模式控制指令发送至所述的第三终端节点，然后继续步骤（5）；

（4）所述的路由节点发送关闭所对应房间内所有灯光的照明模式控制指令至所述的第三终端节点，然后继续步骤（5）；

（5）所述的第三终端节点根据所述的路由节点发送的照明模式控制指令对房间的照明模式进行设置。

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