基于无线传感器网络的智能照明控制系统及方法

摘要

基于无线传感器网络的智能照明控制系统，包括有服务器、室内终端、楼层交换机、无线网关、设置在大楼内的多个照明设备和与照明设备一一对应的无线照明控制设备。基于无线传感器网络的智能照明控制方法，它通过室内终端或移动终端向楼层交换机发送控制指令，楼层交换机将接收到的控制指令转发至无线网关，无线网关对接收到的控制指令进行协议转换，并将转换后的控制指令发送至对应的无线照明控制设备，无线照明控制设备控制照明设备工作。本发明弥补了传统楼宇照明控制的不足，利用物联网的全面感知、可靠传递和智能处理，有效提高了楼宇照明用电效率，节约电能，便于管理。

说明书

技术领域

本发明涉及楼宇智能照明控制技术领域，特别是一种利用无线传感器网络的智能 照明控制系统及方法。

背景技术

1984年美国出现第一座智能化楼宇至今，智能化楼宇已经成为当今智能建筑发展的趋势。 随着新技术、新设备、新工艺、新材料的发展与进步，九十年代在北京、上海、广州等大中 城市涌现出一大批智能楼宇工程。照明控制系统作为建筑电气工程必不可少的系统，其发展 随着信息技术的不断发展也发生了本质上的变革，传统的照明控制系统已被智能照明控制系 统所取代。

随着计算机技术、通信技术、自动控制技术、总线技术、信号检测技术和微电子技术的 迅速发展和相互渗透，照明控制技术有了很大的发展，照明进入了智能化控制时代。实现照 明控制系统智能化的主要目的有两个：一是可以提高照明系统的控制和管理水平，减少照明 系统的维护成本；二是可以节约能源，减少照明系统的运营成本。

照明控制的发展经历了手动控制、自动控制和智能化控制三个阶段。

（1）手动控制

最初阶段是手动控制，即利用开关等元器件，以最简单的手动操作来启动和关闭照明电 器，从而满足照明的要求，达到照明的目的。此时照明的控制仅停留在让使用者有需要时手 动开启照明电器，不能自动开启和关闭它。

（2）自动控制

伴随着电器技术的发展，照明控制进入了自动控制阶段，它的特征是以光、电、声等技 术来控制灯具。自动控制方式的缺点是与人的互动较少，局限于单个或单组灯具的控制，难 以完成网络化的监控任务。

（3）智能化控制

智能化照明控制系统以计算机和网络技术为核心，利用微处理器技术和存储技术，将来 自传感器的关于建筑物照明状况的信息进行处理后，通过一定的程序指令控制照明电路中的 设备，调用不同的程序，执行不同的功能，就可以达到不同的照明水平，营造出不同的氛围 和环境。智能化照明控制系统是全数字、模拟化、分布式的控制系统。整个系统由管理模块、 调光模块、探测模块、操作模块等各种功能模块组成。每个模块中含有微处理器和存储器， 系统的每个功能都储存于某个模块中。而系统网络连接只需通过总线相连，他可以是一般的 五类双绞线，或是通过载波方式调制在电力线上，或是通过无线网络方式进行通信。

与传统照明控制系统相比，智能照明控制系统在控制方式、照明方式、管理方式以及布 线、节能方面等均有不少优点。传统照明控制是能量和信息流的合一，控制简单、有效、直 观，但其一经布线完成后系统就不能再改动；此外，实现复杂的控制要求时，布线量将大大 增加，这使得系统的可靠性下降，一旦出错，线路的检查也相当费时费力。随着大量商用办 公楼和复式住宅的推出，办公楼管理人员和用户需要对照明器具的实时工况予以监视，而传 统技术对此无能为力。至于提供安全、舒适、便利的生活环境，实现灯具联动，根据环境自 动控制或控制灯光亮度等，使用传统技术更是无能为力。简而言之，传统照明控制系统已不 能满足现代化的控制要求。

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传 感器网络雏形，我们把它归类为第一类传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感 器网络同时还有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相连，组成了 有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总 线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被应用， 并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种基于无线传感器网络的智能照明控制系统，它弥 补了传统楼宇照明控制的不足，利用物联网的全面感知、可靠传递和智能处理，有效 提高了楼宇照明用电效率，节约电能，便于管理。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，服务器、室内终端、楼层交换机、 无线网关、设置在大楼内的多个照明设备和与照明设备一一对应的无线照明控制设 备；

服务器接收楼层交换机发送的数据，存储并上传至Inter网，楼层交换机分别与 室内终端和无线网关数据交互，无线照明控制设备通过无线组网技术接入无线网关， 实现与无线网关的数据交互，照明设备通过无线照明控制设备连接到室内电源线上。

进一步，所述无线照明控制设备包括有单片机控制模块MCU、电源转化模块、光 照检测模块、红外检测模块、无线通信模块、信息反馈模块和继电器控制模块；

单片机控制模块MCU，接收并处理光照信息和红外信息，控制断电器控制模块工 作；

光照检测模块，感应环境中的光照强度，并对光照信息进行处理，将处理后的光 照信息发送至单片机控制模块；

红外检测模块，感应环境中的红外信息，并对红外信息进行处理，处理后的红外 信息发送至单片机控制模块；

无线通信模块，实现无线照明控制设备与无线网关的无线通信，接收无线网关下 发的控制指令，上传照明设备的状态信息；

信息反馈模块，将无线通信模块接收到的控制指令发送至单片机控制模块MCU， 将单片机控制模块上传的照明设备状态信息发送至无线通信模块；

继电器控制模块，接收单片控制模块发送的控制指令，控制照明设备。

进一步，无线照明控制设备和无线网关采用无线IEEE802.15.4E通信协议实现数 据交互，无线网关接收无线照明控制设备上传的照明设备状态信息数据，将其封装成 以太网数据格式发送至楼层交换机，同时接收楼层交换机的指令信息，转换后发送至 无线照明控制设备。

进一步，楼层交换机，通过RJ45网络接口接收室内终端发送的控制指令，将控 制指令发送至无线网关，同时接收无线网关上传的照明设备状态信息，通过RJ45网 络接口分别将接收到的信息发送至室内终端和服务器。

进一步，所述系统还包括有移动终端，通过Inter网接收服务器上传的信息，并 向服务器向交换面转发控制指令。

本发明的另一个目的就是提供一种基于无线传感器网络的智能照明控制方法，它 通过物联网，实现楼宇照明设备的远程控制和监视。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体方法为：通过室内终端或移 动终端向楼层交换机发送控制指令，楼层交换机将接收到的控制指令转发至无线网 关，无线网关对接收到的控制指令进行协议转换，并将转换后的控制指令发送至对应 的无线照明控制设备，无线照明控制设备控制照明设备工作。

进一步，所述无线照明控制设备采集环境光照信息和红外信息，并根据接收到的 控制指令自适应调整照明设备的光照状态和强度。

进一步，无线照明控制设备将照明设备状态信息发送至无线网关，无线网关将接 收到的信息封装为以太网数据格式的信息发送至楼层交换机，楼层交换机将接收到的 信息分别转发至室内终端和服务器，服务器将接收到的信息上传至Inter网，移动终 端通过Inter网接收照明设备状态信息。

进一步，在所述室内终端和移动终端中存储有照明设备的各种场景控制模式。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、无需布线，成本低，自适应控制和手动远程控制相结合，延长了照明设备的 使用年限，节省了大量人力成本和物力资源；

2、照明准确性高，实时性好，能够有效的根据外界环境变化而做出相应控制， 并能选择反需的场景控制模式；

3、通过信息反馈能够实时监控照明设备的工作状态，能够让管理人员及时查看 信息和做出处理；

4、自建的无线通信网络，与外部网络联运性强，构成无处不在的网络通信环境。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或 者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书 和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为无线传感器网络原理图；

图3为智能照明控制设备组成框图；

图4为室内照明情景模式图；

图5为智能照明控制系统网络规划图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于无线传感器网络的智能照明控制系统及方法，能够弥补传统照明控制中存在的 不足，有效的节约楼宇照明用电，延长灯具等照明设备的使用寿命，同时便于管理者的控制 管理。本发明还提供相应的系统构建，以下将对整个系统做详细说明。

如图1所示，本发明具体的实施方式是大型楼宇建筑中基于无线传感器网络的智能照明 系统，包括：楼宇中每个不同区域地方，安装智能照明控制设备，每个控制设备外接灯具等 照明设备，通过无线组网技术接入无线网关，通过楼层交换机，一方面接入室内显示终端， 一方面接入服务器通过Internet连接远程PC，同时手机和平板通过无线网络可以访问服务器， 通过这些智能终端的接入，可以随时监测和控制每个区域内的照明设备的工作状态，管理人 员也可以及时查看并做出处理，非常适合大型楼宇建筑照明控制中，节约人力和物力。

如图1所示，无线智能照明控制设备与外接灯具等照明设备连接，不需额外供电，只需 对220V照明供电进行相应必要的电压转化即可，同时该设备还能实时感应外界光照和红外 等环境变化，自适应的进行感应控制，同时还能接入到无线网关中，管理人员可以随时通过 智能终端设备远程监测和控制各个区域内的照明设备，达到需要某个区域地方照明设备开启 则开启，不需要则关闭的节能效果。

无线网关支持多种无线协议数据接收和转发，根据用户自定的无线协议与多个无线照明 控制设备组网对灯具等照明设备状态信息，开或关，进行实时监测，无线网关和无线照明控 制设备采用无线IEEE802.15.4e协议进行通信组网，然后无线网关把状态信息数据格式转换成 以太网数据格式发送给楼层交换机，楼层交换机把已经封装好的信息数据分发给室内终端和 本地服务器，本地服务器通过SQL构建数据库，对能耗信息进行解析、存储、处理后通过电 信宽带网络发送到互联网，供远程登陆网页监控。网络构建层在物联网四层模型中连接感知 识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据， 无线网关、楼层交换机、本地服务器作为连接底层照明控制设备和互联网的桥梁设备把管理 人员的控制命令通过TCP/IP、Ethernet、无线低速网的形势融合并实现。

室内显示终端接收来自楼层交换机的状态信息数据，经过对以太网数据格式进行解析后 转换成显示终端可以直接调用的数据并存储在内部存储器上，同时还能通过终端界面发出控 制指令，指令信息通过楼层交换机下发到无线网关，进而由网关转发给控制设备完成相应的 控制操作；本地服务器在接收到来自楼层交换机的状态数据信息，对其解析并处理后，采用 SQL数据库保存数据。同时平板或手机等智能终端则能通过Internet访问服务器，登入开发 的Android和IOS客户端程序查看信息和发出控制指令都可以。

无线传感器网络原理图如图2所示，无线传传感器网络由传感器节点、无线网关、上层 PC终端组成。传感器节点负责安放在要监测的区域，负责采集和收集监测区域内的数据信息， 并将采集到的数据上传到无线网关，数据的传输都是无线传输；无线网关是整个网络系统的 中枢，负责数据的接收和转发，一边和传感器节点进行无线通信，这个通信过程中会完成无 线协议的转换，在跟上层PC终端通信时一般则是通过以太网传输；上层PC终端则是对数据 进行存储和处理，完成需要的操作指令，同时监测底层的传感器节点的工作情况。在本发明 中，传感器节点就是无线照明控制设备，负责楼宇或家庭室内的照明监控。

如图3所示，无线智能照明控制设备中：主要包括单片机控制模块MCU、电源转化模块、 光照检测模块、红外检测模块、CC2530无线通信模块、信息反馈模块和继电器控制模块。单 片机控制模块：作为控制设备的核心，主要对接收到的光照信息和红外信息进行处理，同时 驱动继电器工作；电源转换模块：为各个模块提供合适的工作电压，保证各部分能够正常工 作；光照检测模块：感应环境中的光照强度，并对光照信息进行处理，最后将处理后的光照 信息发送给单片机；红外检测模块：感应环境中的红外信息，并对红外信息进行处理，最后 将处理后的红外信息发送给单片机；CC2530无线通信模块：主要用于无线网关和底层控制设 备的无线通信，接收网关下发的控制指令和上传被控对象的状态信息；信息反馈模块：主要 是能够实现网关和底层设备之间的双向通信，即既能接收上层给底层发送的控制指令，同时 也能将底层设备被控对象的信息反馈给上层，进而通过智能终端显示出来；继电器控制模块： 主要是完成单片机控制模块发送的驱动控制指令，进而控制被控对象（照明设备）。无线智能 照明控制设备可同时支持ZIGBEE、6LowPan、802.15.4、802.11、WIPA等无线通信协议，适 用于不同场合的开发和利用。

如图4所示，本实施例的室内情景模式图，为家庭室内照明提供了一个良好的选择，根 据不同的室内划分，根据住户的需求设定不同的场景模式，每个模式将是不一样的照明效果， 住户可以根据预先设定的场景模式在移动终端或室内终端上选择符合自己需求的照明需求， 实现一个人性化的照明控制。

如图5所示，本实施例的智能照明控制系统网络规划图，照明系统由一个主控节点、多 个分控节点以及更多的单元节点组成的三层两级网络。在最底端，单元节点负责照明现场的 状态检测与控制输出，具体面向的可以是一个房间，一个相对独立的区域或其他需要较多关 联控制的场合。在最顶端，主控节点负责整个系统的功能协调与状态监测。一方面主控节点 收集单元节点的状态信息，执行必要的本地集中控制，另一方面也可能在需要时通过高级网 络接口连接到局域网，按高级管理部门的要求提供定期数据报告以及接收控制数据和控制命 令。主控节点和单元节点之间是分控节点，主控节点通过一级网络连接到分控节点，分控节 点进一步通过二级网络连接到单元节点，在整个系统的楼群实施控制时，主控节点通常位于 主楼的中心控制室，而分控节点可安排至各分楼的中心控制室。当整个系统的控制规模较小 时，则可以考虑取消分控节点，由主控节点通过一级网络直接连接单元节点，如此网络构成， 可大可小，组合方便，既可以用于新楼设计，又可进行老楼改造。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖 在本发明的权利要求范围当中。