CN203934032U - 一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及监控系统，一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，包括照明监测系统，控制器设备。照明监测系统包括一监测照明信息的传感器设备，一用于控制室内亮度的控制器设备、一用于监测信息处理和控制的PC终端设备，传感器设备连接一无线传感网络模块，无线传感网络模块连接PC终端设备，无线传感网络模块还连接控制器设备；控制器设备包括照明设备、继电器控制模块、单片机控制模块；单片机控制模块与无线传感网络模块相连，单片机控制模块通过继电器控制模块连接照明设备。与现有技术相比，本实用新型弥补了传统照明控制的不足，利用无线传感网络的全面感知、可靠传递和智能处理，不需要穿墙打洞和铺设管线等有线网络施工过程；在节省人力、物力、财力的同时真正达到节能目的。

Description

一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统

技术领域

本实用新型涉及监控系统，具体涉及楼宇智能照明监控系统。

背景技术

无线传感网络是对上一代传感器网络进行的技术上的革命，它是一种特殊的无线通信网络。无线传感网络技术使得普通物体具有了感知能力和通信能力，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能楼宇、工业控制以及商业等领域都有着广阔的应用前景，是二十一世纪最重要的技术之一。

无线传感网络是由多个无线传感器节点和少数几个汇聚（Sink）节点通过无线自组织的方式构成。通过无线的形式将传感器感知到的数据进行简单的处理之后传送给网关或者外部网络，因为它具有自组网形式和抗击毁的特点，已经成为工商业各界重点关注的对象。

随着能源危机越来越严重，节能越来越受到人们的关注。照明工程一向是“耗能大户”，开发实施一套完整的照明节能控制系统是非常有必要的。这套系统包括环境信号采集装置、照明灯具、现场控制节点、数据通信传输、照明控制系统，对楼宇的照明进行系统的控制管理，从而达到节能的目的。

目前，国内外很多企业已经开始了对节能系统、节能产品的研究和开发。但是传统的照明节能系统都是基于有线技术，采用综合布线的方式搭建有线局域网络。这种方式不但在铺设、检查电缆时费时费力，短时间内不易完成，而且很多实际情况中，一个局域网络的应用环境是不断更新和发展的，如果使用有线网络布局，则需要重新布局、重新安装网络线路，维护费用更高，难度更大。

实用新型内容

本实用新型目的在于是提供一种基于无线传感网络的智能照明节能监控 系统。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，包括照明监测系统，所述照明监测系统包括一监测照明信息的传感器设备，一用于控制室内亮度的控制器设备、一用于监测信息处理和控制的PC终端设备。其特征在于，所述传感器设备连接一无线传感网络模块，所述无线传感网络模块连接所述PC终端设备；

所述控制器设备包括照明设备、继电器控制模块、单片机控制模块；所述单片机控制模块与所述无线传感网络模块相连，所述单片机控制模块通过所述继电器控制模块连接所述照明设备。

与现有技术相比，本实用新型弥补了传统照明控制的不足，利用无线传感网络的全面感知、可靠传递和智能处理，有效提高了照明用电效率，节约电能，便于管理。本实用新型通过PC终端设备与传感器设备的节点来实施监测控制目的，不需要穿墙打洞和铺设管线等有线网络施工过程；整个监测控制过程也为全自动智能化实时监控，不需要人员现场作业，在节省人力、物力、财力的同时真正达到节能目的。单片机控制模块接收来至传感器设备经过相应信号处理模块处理过的信号，发送控制指令给继电器控制模块，对照明设备实现相应控制。

所述无线传感网络模块包括蓝牙通信模块、紫蜂通信模块、WiFi通信模块中的任意两种无线传输模块。在进行数据传输时，往往有多种数据传输方式可以选择，然而这些数据传输方式往往存在各自的优点或者缺点。比如，蓝牙传输具有操作方便的特点、紫蜂传输具有保密性强和易于组网的特点，但是传输速度都相对较低。而WiFi（无线网路通信)传输虽然操作有时相对复杂，但是传输速度较快。本实用新型中的上述技术方案，通过两种传输方式分别传输数据链接和数据内容的方式，将两种或者两种以上的数据传输方式有机结合在一起，从而发挥各自的优点，消除缺点。

所述控制器设备通过I/O端口与所述无线传感网络模块之间连接。无线传感网络模块相对传统的有线局域网络具有高可靠通信、多级安全性、覆盖范围大、安装便利等优点。

所述传感器设备包括光照度传感器模块及其信息处理模块、热释电红外传感器及其信息处理模块。红外传感器和照度传感器，采集当前区域或房间内的人员数量、位置及光照强度等信息数据，来实时感知此区域人员活动情况，传感器设备采集相应数据并进行相应的处理，然后将数据传输给传感器节点，最后至PC终端设备汇总进行数据分析，为本实用新型的实时控制提供依据。

所述光照度传感器模块的信息处理模块与所述热释电红外传感器的信号处理模块无线通信连接所述单片机控制模块。所述单片机控制模块无线通信连接有一信息反馈模块。从而实现传感信号的传输。

所述无线传感网络模块包括传感器节点和网关，所述无线传感网络模块通过所述传感器节点连接所述传感器设备，所述网关与所述PC终端设备通过网络路由器相连，所述网关通过以太网电缆接入所述网络路由器。传感器节点彼此之间独立。一个传感器节点可接收1-4路传感信号。

所述传感器设备通过调理电路连接传感器节点，所述调理电路包括滤波电路、放大电路。

所述无线传感网络模块包括一主控节点；所述主控节点与网关无线通信连接，所述主控节点无线通信连接有至少一个分控节点，所述分控节点无线通信连接有至少一个区域监测的单元节点，所述单元节点至少连接一个传感器节点，从而实现区域化的分区管理。在本实用新型中主控节点对整个系统进行全局控制；分控节点对相应区域进行控制；单元节点对一个区域的子系统单元进行控制。对于整体区域比较小的系统，主控节点可以对单元节点进行直接的控制，这样也增强了本系统对应用区域大小适应的灵活性。各传感器节点不能相互直接通信或实施控制，只能与本区域或本房间对应的网关节点交互信息；主要作用是采集当前区域或房间内人员的数量、位置及光照的强度等信息数据，并定期的将这些信息数据发给相应的单元节点。信息流按照单元节点、分控节点、主控节点的顺序进行传输，最后主控节点将数据传输到PC终端设备，PC终端设备对数据进行分析处理，实时、准确的监测系统区域的各项指标，及时发布预警消息。另一方面，传感器节点还根据接收到网关节点的指令通过继电器控制模块来控制房间的照明回路。

所述PC终端设备包括一基于计算机的人机交互界面。

所述人机交互界面包括系统整体功能的选项、监测智能照明监测的选项、照明回路智能控制的选项。

本实用新型具有低功耗、易安装、易扩展、易操作、高可靠通信、大范围覆盖、优良技术兼容性等优点。本实用新型采用NI公司研发的NI无线传感网络平台，通过对传感器设备采集到的信号进行滤波、放大等处理后经无线传感网络上传至PC终端设备，得到的各个传感器信号，并进行相应的处理，根据不同的要求进行控制的节点I/O端口以驱动相应的控制器，最后实现对相应设备的控制。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型：

图1为本实用新型的总体架构图；

图2为本实用新型无线传感网络模块的结构示意图；

图3为本实用新型具体实施1一个区域子系统节点布置图；

图4为本实用新型硬件的部分电路框图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1，一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，包括照明监测系统，控制器设备。照明监测系统包括一监测照明信息的传感器设备7，一用于控制室内亮度的控制器设备8、一用于监测信息处理和控制的PC终端设备10，传感器设备7连接一无线传感网络模块9，无线传感网络模块9连接PC终端设备10，无线传感网络模块9还连接控制器设备8；控制器设备包括照明设备、继电器控制模块、单片机控制模块；单片机控制模块与无线传感网络模块相连，单片机控制模块通过继电器控制模块连接照明设备。与现有技术相比，本实用新型弥补了传统照明控制的不足，利用无线传感网络的全面感知、可靠传递和智能处理，有效提高了照明用电效率，节约电能，便于 管理。本实用新型通过PC终端设备与传感器设备的节点来实施监测控制目的，不需要穿墙打洞和铺设管线等有线网络施工过程；整个监测控制过程也为全自动智能化实时监控，不需要人员现场作业，在节省人力、物力、财力的同时真正达到节能目的。单片机控制模块接收来至传感器设备经过相应信号处理模块处理过的信号，发送控制指令给继电器控制模块，对照明设备实现相应控制。

无线传感网络模块包括蓝牙通信模块、紫蜂通信模块、WiFi通信模块中的任意两种无线传输模块。在进行数据传输时，往往有多种数据传输方式可以选择，然而这些数据传输方式往往存在各自的优点或者缺点。比如，蓝牙传输具有操作方便的特点、紫蜂传输具有保密性强和易于组网的特点，但是传输速度都相对较低。而WiFi（无线网路通信)传输虽然操作有时相对复杂，但是传输速度较快。本实用新型中的上述技术方案，通过两种传输方式分别传输数据链接和数据内容的方式，将两种或者两种以上的数据传输方式有机结合在一起，从而发挥各自的优点，消除缺点。作为一种优选方案，传感器设备与PC终端设备可以采用紫蜂通信模块进行传输，传感器设备与控制器设备可以采用WiFi通信模块进行传输。从而在保证本实用新型高可靠通信性的前提下，还可以保证数据传输的安全性。作为另一种优选方案，传感器设备与PC终端设备可以采用紫蜂通信模块进行传输，传感器设备与控制器设备可以采用蓝牙通信模块进行传输。

控制器设备通过I/O端口与无线传感网络模块之间连接。无线传感网络模块相对传统的有线局域网络具有高可靠通信、多级安全性、覆盖范围大、安装便利等优点。

参见图4，传感器设备包括光照度传感器模块11及光照度传感器信息处理模块12、热释电红外传感器13及热释电红外传感器信息处理模块14。红外传感器和照度传感器，采集当前区域或房间内的人员数量、位置及光照强度等信息数据，来实时感知此区域人员活动情况。传感器设备采集相应数据并进行相应的处理，然后将数据传输给传感器节点，最后至PC终端设备汇总进行数据分析，为本实用新型的实时控制提供依据。光照度传感器模块信息处理模块12与热释电红外传感器信号处理模块14无线通信连接单片机控制 模块15。单片机控制模块15无线通信连接有一信息反馈模块16，单片机控制模块15连接继电器控制模块17。从而实现传感信号的传输。

本实用新型光照度传感器模块可以采用AM1001型号的光照度传感器；热释电红外传感器可以采用RE200B信号的热释电红外传感器。

无线传感网络模块包括传感器节点和网关，无线传感网络模块通过传感器节点连接传感器设备，网关与PC终端设备通过网络路由器相连，网关通过以太网电缆接入网络路由器。传感器节点彼此之间独立。一个传感器节点可接收1-4路传感信号。传感器设备通过调理电路连接传感器节点，调理电路包括滤波电路、放大电路等。

本实用新型可采用NI无线传感网络模块。传感器节点包括WSN-3202传感器节点、WSN-3212传感器节点、WSN-3226传感器节点，网关是WSN-9791网关；NI无线传感网络通过WSN-3202传感器节点、WSN-3212传感器节点、WSN-3226传感器节点连接传感器设备。WSN-9791网关与PC终端设备通过网络路由器相连，WSN-9791网关通过以太网电缆接入网络路由器。

参见图2，无线传感网络模块包括一主控节点；主控节点与网关无线通信连接，主控节点无线通信连接有至少一个分控节点，分控节点无线通信连接有至少一个区域监测的单元节点，单元节点连接一个传感器节点。从而实现区域化的分区管理。在本实用新型中主控节点对整个系统进行全局控制；分控节点对相应区域进行控制；单元节点对一个区域的子系统单元进行控制。对于整体区域比较小的系统，主控节点可以对单元节点进行直接的控制，这样也增强了本系统对应用区域大小适应的灵活性。各传感器节点不能相互通信或实施控制，只能与本区域或本房间对应的网关节点交互信息；主要作用是采集当前区域或房间内的人员数量、位置及光照强度等信息数据，并定期的将这些信息数据发给相应的单元节点。信息流按照单元节点、分控节点、主控节点的顺序进行传输，最后主控节点将数据传输到PC终端设备，PC终端设备对数据进行分析处理，实时、准确的监测系统区域的各项指标，及时发布预警消息。另一方面，传感器节点还根据接收到网关节点的指令通过继电器控制模块来控制房间的照明回路。

PC终端设备包括一基于计算机的人机交互界面。人机交互界面包括系统 整体功能的选项、智能照明监测的选项、照明回路智能控制的选项。照明回路智能控制的选项集中统一的控制照明设备的状态。系统整体功能的选项主要是实时监测系统各部分的功能是否正常，如传感器及网络是否正常工作、照明设备能否正常开关、监测数据能否正常传送等。如果检测到的数据与预设值相比较偏差值超出了预设范围，则启动报警系统并立即采取紧急关闭相关回路的措施。如检测到线路短路原因引起的电流过载、回路断路或者因传感器失灵灯具没有正常开启等异常情况，立即向中央监控室发出警报并提醒工作人员进行相关处理，处理完成后进行回路正常和稳定性运行测试，并记录下处理数据和运行数据以备查询。

具体实施1，参见图3，在本实用新型以区域自主控制子系统节点布置，区域入口处上侧为单元节点A，一个传感器节点根据具体情况可接收1-4路传感器信号采集点采集信号。本实施例中设有四个传感器节点，一号传感器节点Ⅰ、二号传感器节点II、三号传感器节点III、四号传感器节点IV。可在一号传感器节点Ⅰ左右两边分别设置两个红外传感器信号采集点：一号红外传感器信号采集点1、二号红外传感器信号采集点2。采集的红外信号接入一号传感器节点Ⅰ：如果一号红外传感器信号采集点1先于二号红外传感器信号采集点2采集到红外信号，则人进入房间，反之则离开房间，从而计算房间总人数，PC终端设备根据进入房间总人数控制照明回路开启数量。二号传感器节点Ⅱ接收来自临窗的一号光照度传感器信号采集点3和二号光照度传感器信号采集点4采集的当前室外自然光线照入室内临窗办公区域的光照强度。三号传感器节点III、四号传感器节点IV周围均匀分布有三号红外传感器信号采集点、四号红外传感器信号采集点、三号光照度传感器信号采集点、四号光照度传感器信号采集点，一方面负责采集人员在该区域内所处位置信息；另一方面采集相应位置的光照强度。并结合一号传感器节点Ⅰ和二号传感器节点II采集的信息，将监测区域人员信息和光照度信息传送至该区域的单元节点A，最后PC终端设备对各传感器节点的信息进行综合分析，智能化控制该区域照明回路的开启数量及分配方式。相应区域节点数量和传感器数量根据实际情况略有不同。

在本实用新型中硬件部分主要包括单片机控制模块MCU（包括继电器控 制），信息反馈模块，无线通信模块，网关，传感器及其相应的信号处理模块。传感器作为最底层的信号采集端，因输出信号含有较大噪声、信号幅值过大或过小等因素，输出信号有可能不满足传感器节点的输入要求。因此，需要设计相应的调理和转换电路将传感器信号加以转换使之与传感器节点相匹配。

在本实用新型中软件设计主要包括两个方面：人机交互界面设计和传感器节点的软件设计。人机交互界面设计将利用NI公司的LabVIEW软件。本实用新型通过编程软件LabVIEW进行可视化界面编程设计，来实现数据的采集、信息的处理和传输、照明设备的控制等功能。不仅能够实现远程控制，还可以实现系统模块化、控制功能直观化和分组管理的便捷化。在本实用新型人机交互界面的软件设计主要包括：系统功能监测软件设计、智能照明监测软件设计、智能照明回路控制软件设计。在LabVIEW软件编程之前，首先采用MAX（Measurement&Automation）工具对NI WSN进行相关配置。对NI无线传感网络的配置完成后，即可新建项目并将NI系统的网关添加至LabVIEW项目，接受网络配置的测量节点I/O变量及属性能够被迅速访问，从而可以进行对PC终端设备的编程。

人机交互界面包括手动控制模式、自动控制模式和半自动控制模式的选项。通过这种控制方式，实现各区域、各照明回路的精确、独立控制，提供最佳的照明效果、营造合适的环境氛围，避免不必要的浪费。这种控制模式由PC终端设备自动统一下发指令，不仅提供理想的照明效果和较高的工作效率，，还节省了人力、电力成本。

一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，还包括用电忙时间段、休眠时间段、用电闲时间段这三种运行模式。整个智能控制系统每个工作日按照预先设定的运行模式自动开关相关回路。

本实用新型默认将8:30到22:30设定为用电忙时间段，本实用新型将传感器设备的各个节点采集到的室内光照度信息、人员活动量信息与室内面积预设值融合，再采用智能优化算法的方式得到需要开启的照明回路数量以及分配方式，最后通过继电器控制模块来实施照明回路的位置和数量开关控制。在用电忙时间段模式中，大面积区域采用分区域独立控制的方式，将整个区 域进行合理的分区，每一个区域设置一个网关节点负责该区域的监控；小面积区域（房间）则作为一个独立的区域分配一个网关节点负责本区域（房间）的监控。每个分区域为一个独立控制子系统，每一个子系统的人员活动情况、室内照度情况等信息数据结合智能优化算法来控制照明回路的开关。在用电忙时间段模式中，对整个控制范围实行照明灯光与自然光相互补给的方式实施照明。当室外光线充足时，尽可能的利用自然光源，结合照度传感器监测数据灵活关闭部分临窗回路节省能源；当阴雨天气光线不足时，智能照明系统自动开启相关照明回路进行补给。在用电忙时间段模式中，还可以对局部区域实行特殊控制方式。根据房间功能的不同来控制回路开启的数量和方式。如大型会议室进场、会议期间、出场等不同时间段需要的照明度是不一样的，编程人员通过对系统做预先的程序设定，本系统则根据设定自动采用局部区域特殊照明的方式开启相关照明回路。

照明设备还包括紧急照明设备；休眠时间段的运行模式下，紧急照明设备开启。休眠时间段的运行模式设置为22:30至凌晨7:00开启，智能控制系统的各个设备都将处于休眠状态。节省传感器和系统本身的耗电。

用电闲时间段的运行模式设置为7:00到8:30开启；用电闲时间段的运行模式下，紧急照明设备开启，除紧急照明设备外的照明设备手动开启。用电闲时间段模式的运行模式下，对整个控制范围实行自动控制与局部手动控制相结合的控制方式。如果选择手动控制方式则该区域由使用人员手动控制，系统会在一定的时间间隔（初步可设定为20min）定时查看人员活动情况和用电情况，发现无人活动后照明回路会自动关闭，防止能源浪费；如选择自动控制方式则将该区域融入到整个智能节能系统中，进行全自动的监测和控制。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，包括照明监测系统，控制器设备；所述照明监测系统包括一监测照明信息的传感器设备，一用于控制室内亮度的控制器设备、一用于监测信息处理和控制的PC终端设备，其特征在于，所述传感器设备连接一无线传感网络模块，所述无线传感网络模块连接所述PC终端设备；

所述控制器设备包括照明设备、继电器控制模块、单片机控制模块；所述单片机控制模块与所述无线传感网络模块相连，所述单片机控制模块通过所述继电器控制模块连接所述照明设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，其特征在于：所述无线传感网络模块包括蓝牙通信模块、紫蜂通信模块、WiFi通信模块中的任意两种无线传输模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，其特征在于：所述传感器设备包括光照度传感器模块及其信息处理模块、热释电红外传感器及其信息处理模块；

所述光照度传感器模块的信息处理模块与所述热释电红外传感器的信号处理模块无线通信连接所述单片机控制模块，所述单片机控制模块无线通信连接有一信息反馈模块。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，其特征在于：所述无线传感网络模块包括传感器节点和网关，所述无线传感网络模块通过所述传感器节点连接所述传感器设备，所述网关与所述PC终端设备通过网络路由器相连，所述网关通过以太网电缆接入所述网络路由器。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，其特征在于：所述无线传感网络模块包括一主控节点；所述主控节点与网关无线通信连接，所述主控节点无线通信连接有至少一个分控节点，所述分控节点无线通信连接有至少一个区域监测的单元节点，所述单元节点至少连接一个传感器节点。

6.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网络的智能照明节能监控系统，其特征在于：所述传感器设备通过调理电路连接传感器节点，所述调理电路包括滤波电路、放大电路。