采用无线通信的航站楼智能照明控制系统

邢书剑 王明强 史经伦

关键词： 航站楼; 智能照明; 無线通信; 数字可寻址调光接口; 传感器; 节能

中图分类号： TN876?34; TP29                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2019）01?0068?05

Abstract： Aiming at the problems such as high power consumption and complex wiring of the terminal indoor illumination， an intelligent lighting control system based on ZigBee wireless network and digital addressable lighting interface （DALI） system is proposed. The wireless communication mode can improve the scalability of lighting system， and reduce the maintenance and upgrade costs. The DALI system can perform the grouping control for the lamps. The illumination moving sensor can realize the time and regional illumination of each area in the terminal. The experimental platform was set up to perform the simulation experiment for the regions （central hall and corridor） with different illumination requirements. The experimental results show that the system can automatically adjust the indoor illumination according to the change of the natural light intensity， realize the time and region intelligent illumination， and achieve the purpose of energy conservation， and has a certain application value.

Keywords： terminal; intelligent lighting; wireless communication; digital addressable lighting interface; sensor; energy conservation

0  引  言

随着社会与科技的迅速发展，人们的环保意识日渐提高，节能减排已成为我国的一项基本国策。据统计，我国照明用电约占总用电量的10%～12%。机场航站楼作为公共建筑设施，建筑面积和客流量大，各类照明电器设备安装密度高，单位建筑面积耗电量大，且全年运行没有节假日。因此，航站楼的用电量更高，合理使用航站楼照明系统，优化用电模式，对于机场的节能减排工作意义重大。

近年来，无线传感网络技术的不断进步为智能照明系统、智能家居、监控系统、智能楼宇等设计提供了更多技术支持。国内外针对基于无线通信方式的应用开展了大量研究，采用的无线技术如ZigBee，ANT，3G等，这些技术已应用于隧道、教室、路灯、楼宇、家居、远程监控、城市停车系统等领域[1?7]。然而，基于无线通信技术的航站楼智能照明系统还鲜有研究[8]。另外，数字可寻址调光接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）定义了照明电气与系统设备控制器之间的数字通信方式，DALI技术的使用能够以广播、分组或单独个体的方式灵活控制单灯或者灯组，使调光控制更加灵活可靠，目前已广泛应用于酒店、饭店、商业中心等[9?11]。

因此，本文提出一种结合ZigBee无线传感网络和DALI技术的航站楼智能照明控制系统，利用无线通信技术将单片机与DALI网关进行组网，根据使用环境中自然光的亮度、航站楼不同区域、不同时段的照度需求，实时调节各回路灯组的驱动电流，实现智能化、自动化调光，达到节约电能的目的。通过搭建实验平台模拟不同区域，实验证明本文提出的系统可以满足设计需求，具备实际使用价值，该系统的研究为智慧机场在照明方面提供了可行的解决方案。

1  系统总体结构及功能描述

航站楼智能照明控制系统如图1所示，主要包括STM32单片机、ZigBee模块、DALI电源、DALI网关、DALI照度移动传感器、DALI调光器及LED灯具。

1） STM32单片机

系统采用探索者STM32F4开发板作为智能照明控制策略实现的主控单元，通过RS 232串口与ZigBee协调器相连，负责实时检测航站楼内各个区域的照度值、有无行人、LED灯具工作参数等信息，并根据一天内不同时刻、不同区域所需的光照度进行分析处理，再将不同区域内LED灯具所需照度值通过DALI网关发送到相应的DALI调光器进行处理。

2） ZigBee模块

ZigBee模块负责单片机与每个DALI网关之间的无线通信，其中与单片机相连的模块为协调节点，与每个DALI网关相连的模块为各个终端节点，采用星形拓扑结构组建无线网络，实现DALI网关采集数据的上传以及单片机控制信号的发送。

3） DALI电源

本文系统采用CTT?DLPS250?1电源为每个DALI网关组成的调光系统提供24 V的DALI总线电源，输出电流可达250 mA。

4） DALI网关

采用DALI网关（型号为CTT?DLGW?R）作为以DALI协议为基础的核心部件，每台网关可控制64个DALI设备，负责对所属区域的照度移动传感器及调光器分配设备地址、读取和设置参数等工作。对于灯具较多的情况，可采用多个不同设备地址的DALI网关组成控制网络。DALI网关与ZigBee模块之间通过一个RS 485/RS 232转换器相连。

5） DALI照度移动传感器

分布在各区域的照度移动传感器（型号为CTT?DLSR?T）负责实时采集本区域的照度值及检测是否有人经过，其测量值通过DALI网关上传至单片机作为照明控制策略的判断依据。

6） DALI调光器及LED灯

每个DALI调光器（型号为CTT?DL2005?3）具有3路独立的恒压（最大5 A）输出，可分别控制3个LED灯的驱动电流，以实现对不同时间、不同区域的照度需求。系统选用12 V电流驱动LED作为照明单元，可根据使用需求进行合理布局。

2  控制策略

人工照明是航站楼消耗能量最多的应用，超过制热或制冷，在考虑总体环境需求、舒适性和安全的前提下应优化照明的手段、灯具的使用等措施，充分利用、平衡自然光照明和人工照明是节能的重要手段之一。另外，航站楼的日间照明与夜间照明模式同样重要，既要保证旅客能够轻松辨认通道和空间，又要尽量减小能源的浪费[12?15]。因此，航站楼照明管理需充分考虑实际状况，结合照度移动传感器的使用，综合考虑与照明相关的时间、区域、环境照度和人员流动等因素，充分融合時间表控制、区域控制和环境参数控制，对整个航站楼采取分区域和分时段的场景控制策略，具体照明控制策略如下：

1） 分时段照明

在机场业务繁忙的时段（8：00—22：00），控制各区域保证较高的照度，由于该时段大部分时间内外界自然光的光强和入射角度会一直改变，所以要求LED灯的亮度随着自然光强度的变化而变化;在其他时段内，人员相对稀少，则可降低各区域的照度需求，对于某些区域可在无人的情况下适当关闭部分灯光以达到节能的目的。

2） 分区域照明

由于航站楼各区域的功能不同，往往对照度的需求不同，比如安检区需要更高的照度，而走廊、楼梯等区域对于照度的需求往往相对较低。利用DALI网关对不同区域内的LED灯设置对应的ID，再进行分组控制，可以实现单灯及不同灯组的亮度控制、开启和关闭。

3） 环境参数控制

根据天气、人员流量等实际环境参数实时调节照明参数，以获得更好的照明质量和节能效果。在不同区域适当设置照度移动传感器，实时检测当前照度并调节相应灯具的亮度。鉴于夜晚人员流动稀少的特点，适时关闭部分区域的灯光，只在有人经过的条件下打开相应的灯即可。

4） 定时控制

定时控制可配合照度移动传感器来使用，多用于夜晚人员稀少的情况，在有人经过的情况下适当打开相应区域的灯光，在一定时间内无人员经过的情况下，根据需要可定时关闭该区域的灯光。

综上考虑，根据《建筑照明设计标准》（GB 50034?2013）中的规定，结合机场不同区域的实际照明需求，将分区域照明、分时段照明、环境参数辅助、移动感应、定时控制几种控制方式有机结合，对航站楼内各区域的照明控制策略进行设计，如表1所示。

以中央大厅为例，其日间的照度需求为300 lx;夜间的照度需求为200 lx，并参考人员流动情况适时开启和关闭部分灯光。为尽量简化灯光调节的频率，可设置20 lx的照度余量，即在日间照度为300～320 lx之间保持灯光亮度不变，在夜间有人情况下照度为200～220 lx之间保持灯光亮度不变，在夜间无人情况下设置定时1 min后关闭相应灯光。在其他情况则适当调高或减弱灯光亮度，并进行比较判断是否满足照明需求，具体软件流程如图2所示。对于航站楼其他区域则采用类似的处理流程。

3  实验与分析

为验证系统的可行性，本文搭建了实验平台，整体框架采用3030规格的铝型材，尺寸为1.5 m×1 m×2 m，外罩采用两层布料作为屏障，内层采用纯白色棉布模拟墙壁，外层采用遮光图层材料阻挡外界自然光，实验中可根据模拟航站楼不同区域的需要适当打开一侧或在外罩上开口以保证自然光的射入。在框架内部安装灯具及照度移动传感器，通过单片机控制不同区域不同时段的光照情况，利用HT?8318照度计测量光照情况，实验平台如图3所示，控制系统硬件如图4所示。

为验证智能照明策略的可行性，本文基于实验平台分别测试了中央大厅和走廊两个区域在7：00—18：00的照明情况，实验结果分别如图5，图6所示，具体实验流程如下：

Step1：系统上电自检，完成无线网络的初始化;

Step2：DALI系统的初始化，包括网关、照度移动传感器、调光器的地址分配及参数设置;

Step3：单片机工作，定时采集当前时间、照度等信息，利用中断收集人员移动情况，根据不同区域、不同时段自动进行分析处理，将调光电流的控制指令通过DALI网关发送至相应地址的DALI调光器以控制灯具的亮度。

由图5可见，在7：00—13：00之间随着自然光照度的升高，LED灯的照度会逐渐减小;在13：00—18：00之间，自然光照度会逐渐降低，LED灯的照度则会逐渐升高，从而使得中央大厅的地面总照度可在8：00—18：00保持在300～320 lx之間;而在7：00—8：00中央大厅的地面总照度需求为200 lx，图中照度为208.7 lx，同样满足要求。由图6可见，走廊在7：00—18：00的地面总照度始终维持在200～220 lx之间，LED灯的照度会随着自然光照度的改变而随时调节，基本满足互补的特性。因此，本文系统可实现分区域、分时段照明，具备自动调节灯光照度的能力，达到了设计需求。

4  结  语

本文采用ZigBee无线网络和DALI总线协议，设计了一种针对航站楼的室内智能照明控制系统。利用无线的方式降低布线成本，提高系统灵活性，结合DALI系统的优势，利用STM32单片机作为主控单元对航站楼内部实现分时段、分区域照明。搭建实验平台对中央大厅和走廊两个区域进行实验，实验结果表明，该系统具备根据自然光条件的改变自动调节室内照度的功能，达到了节能的目的，对航站楼室内照明具有一定的应用价值。

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