基于无线智能传感网技术的智能灯光节能控制系统

　　一、概述

　　“节能、智能科技与美学，21世纪建筑业的主题。”近年来，随着国内城市的高速发展、经济的快速繁荣以及人们对生活水平和环境质量要求的不断提高，城市道路照明和城市的夜景照明已经成为城市规划、建设和管理中的一项重要工作。然而，照明日益庞大的社会需求，也使电能的消耗越来越大，在讲究美观的同时我们更应该重视节能。据统计，我国年照明用电量占总发电量的10%左右，而且以低效照明为主，节能潜力很大。在具体工作中，电气节能设计既不能以牺牲建筑功能、损害使用需求为代价，也不能盲目增加投资，为节能而节能。因此，为解决传统节能技术能源浪费大的问题，新一代建筑电气技术正在试图采用各种先进的控制方式对传统建筑照明设备进行有效的控制。

　　提高公共场所及城市照明管理水平，采用先进技术和科技手段，实现对每一盏灯（单灯），或每一组灯（分组）进行智能控制，包括根据工作人员存在与否，实现照明设备的自动开关启闭，以及通过分时间段对道路照明系统电压的调整、控制，对每一盏灯的工作状况实现自动监控等，用智能化的控制方式达到节约照明综合费用的目的（电费和维修费用），可将节约的大笔资金再投入其他的城市建设及城市亮化工程项目中去。

　　现行的城市照明控制大多是通过线控方式一级带动一级控制开关的。随着城市规模不断扩大，路灯控制范围越来越大，现行的控制方法无法不仅造成长距离线路供电的线路损失（电耗），不能按实际需要对每一盏灯或每一组灯进行灵活控制，而且也不能随时掌控公共场合与城市用灯的运行情况。在运行过程中的故障只有等巡视人员到达现场后才能发现，或者被动地等待市民电话反映，因此难以做到及时维修。

　　我们所推广的公共场所及城市照明节能控制系统是基于世界领先的最新一代超低功耗无线智能传感网技术（简称 LDSW），是以完全满足数字化智慧城市的建设需要而开发的物联网信息传输系统，该智能化系统，通过无线手段对每一个具体照明设备进行遥测、遥控、遥调，实现数字化的管理和监测，提供了高效的城市管理手段。LDSW系统不仅能通过无线光控、时控和单灯或分组控制的方法，实时地进行远程无线管理和控制，而且，还可通过人员配带的微型无线智能工作身份标签卡，实现在要求的距离范围内（3米到100米可调）所需灯光的自动开关，并通过简单手持机（或一般手机） 根据使用的需要实现对5-500米范围内的每一盏灯的开关和亮度的强弱的调整。系统还采用了双功率镇流器进行照明监控，节约了大量的能源消耗，优于目前现有手段的节能效果。从而在现有LED灯的节能基础上将电力能源的节省再提高一个等级，同时实现灯光管理的智能化和数字化，实现节能效益和管理效益的双重提升，极大的提高了工矿企业、大型办公场所和城市照明用电的管理水平和电力节能水平。另外，本系统还与当今世界上最知名电源模块厂家合作，采用了世界上最新最先进的电源模块，从而解决了长期以来影响大功率LED灯寿命的电源模块工作可靠性问题。

　　二、LDSW技术介绍及优势

　　技术全称：超低功耗、低占空比智能无线通信技术（英文：LowDutyCycleSmartWireless），简称LDSW。

　　基本功能包括：

　　实现对单个或多个目标的远距离自动身份识别及信息读写

　　实现海量标签室内外的快速盘点和定位

　　代替弱电对各种设备进行无线远距离遥测遥控

　　实现传感器的自动化控制管理（信息采集，储存，处理和上传）

　　现场组网和系统灵活的网络化管理

　　通过基站和中继实现多读写器自动化管理以及远距离传输

　　可直接接入现有各种有线或无线网络

　　基本应用特性：

　　多功能：一套系统同时集成了身份判定（RFID射频识别）、状况监测（WSN传感器集成）、室内外精确定位（RTLS实时定位）、遥控指令（无线遥控PC）等多功能。

　　超级省电：超低占空比，指其通信设备的工作时间与非工作时间的比值达到1/100—1/10000，即系统所用的电子标签如采用常规微型锂电池供电，电池寿命最高可达5年。

　　远距离：系统不依赖中继的传输距离达到1.5km的双向通讯，完全可以满足现有公网以下的无线传输网络的应用需求。

　　微型化：在现有一般有源电子标签基础上不增加任何辅助硬件，指头大小的智能终端模块，不需外供电源就可传输1.5公里的距离，并达到485PC的处理能力，整套设备的现场应用仅作微小型设备的安装、布放即可。

　　系统灵活可靠：采用基于远距离星状网的简单拓扑结构，以及扩频抗干扰通信方式，因而系统工作可靠性高;采用多频道协同工作技术，在一个区域内可有多个 LDSW系统同时工作，而在同一系统内相同或不同的多个LDSW设备，可采用时分和频分的方式同时或分时工作在不同的频道上，因而系统工作方式十分灵活，并且能非常方便的进行现场组网，可根据不同的应用场景需求，灵活、方便地整合局域网络管理和大范围社会应用的网络管理。

　　智能化：由多功能和灵活性实现了真正的智能化管理功能，也是目前唯一能以低成本、低功耗、远距离并灵活可靠的方式实现智能化网络管理的无线传输系统。

　　低成本：因系统的高度简化，并采用无线工作方式，省去了大量附加设备和线缆，同时安装和维护也得到简化，随着规模的提升，成本进一不下降，到专属芯片的工作完成，成本还将得到数量级的下降。

　　技术上：LDSW在如下六个主要方面实现了关键技术的突破，达到了国际先进水平。

　　1、超低功耗远距离睡眠唤醒技术（实现了超低功耗的工作模式）;

　　2、非对称多信道协同工作技术（解决了多标签同时工作的抗干扰问题）;

　　3、动态时间同步技术;

　　4、室内外精确定位技术（实现了室内精确定位问题）;

　　5、海量标签快速盘点技术;

　　6、标签MCU计算机功能化技术。

　　其中在超低功耗远距离睡眠唤醒技术、室内外精确定位、海量标签快速瞬时盘点、非对称多信道协调工作技术上，成都西谷曙光数字有限公司是独家专利技术、国际领先。

　　LDSW技术完全满足了IEEE（美国电子与电气工程师协会）工程师们对理想的有源电子标签的如下所有要求：

　　低成本

　　超低功耗（超低占空比）

　　远距离（覆盖公网以下范围）

　　按需工作双向通道

　　精确定位功能（RTLS）

　　快速盘点、海量标签功能

　　工作灵活可靠

　　集成传感网的功能

　　而在此之前的现状：“没有一个技术标准能满足这种需要”

　　——摘自“IEEE802.15.45有源电子标签标准制定工作组立项报告”

　　LDSW是由成都西谷公司在现有有源电子标签技术基础上，在美籍归国华裔廖应成博士主导下，历时八年研发出的一种全新的智能无线通信传感网技术。LDSW也是迄今为止唯一能够满足公网以下，低成本，超低功耗，超远距离和灵活可靠工作要求的物联网底层信息无线传输技术！

　　国际行业的普遍认可：

　　2010年5月、6月，在北京举行的IEEE年会、ISO国际标准组织年会、中欧物联网专家组会、中日韩物联网专家组会议中，LDSW技术获得与会一致认可，引起极大反响。同一时间段内分别获IEEE和ISO组织的邀请，参与其制定新的标准制定工作。

　　2011年，在英国剑桥大学丘吉尔学院召开的欧洲RFID年会上介绍LDSW技术，获与会专家的一直赞誉。

　　2010年9月，以中国国家标准工作组名义，参加在法国图卢兹召开的ISO国际标准组织关于ISO-IEC/SC31有源电子标签专家组会议，成都西谷的LDSW技术方案获得与会各国专家的高度一致的评价，得到全票一致通过，将中国代表团提交的该提案作为有源电子标签的正式国际标准提案。

　　2010年11月，获准成为中国有源电子标签及实时定位技术，国家技术标准及国军标试行标准第一条关键专利。

　　2013年7月，与电子科技大学和ISO/IEC组织技术专家JosefPreishuer联合启动以LDSW技术为核心基础的ISO/IEC18000-4的有源电子标签国际标准的验证和正式编写工作，即正式进入ISO组织的流程安排。

　　LDSW是第一个中国人自主知识产权的高新技术国际标准

　　LDSW是有源电子标签的国际标准和中国国家标准的制定者

　　三、目前几种与节能相关的灯光照明控制技术缺陷

　　目前灯光控制方式有振动感应、人工控制方式、时控方式、电力载波控制、GPRS控制、ZigBee控制等。

　　1、振动感应是在居家楼道或有限空间的一盏灯光开关控制器上连接一振动传感器，根据近距离的人体脚步振动或空气声波振动带动灯开关，再加定时器，控制范围在3-5米以内，只能单向控制开或关，无法用于厂区及办公楼等场所大范围的系统化灯光控制。

　　2、人工控制方式是由值班员在中心控制室由人工手动进行开关等的操作，显然这种方式工作量大，效率低，不是智能化的，不能从控制上实现节能。

　　3、时控方式是指在路灯控制器中安装定时器，按设定的时间段定时、按距离间隔或组群间隔开关灯，功能单一，不能根据季节和天气调整，也不是智能化的，做不到按需调整，节电效能极其有限。

　　4、电力线载波方式是指将灯光控制信号调制在输电线上，以控制灯光。但电力载波传输速率较低，很容易受干扰，且在用电高峰时刻会使得控制信号无法正常传送到线路上，即负荷较大时会导致电流电压不稳定，不仅在用电高峰状态下难以实现灯光控制，严重时还会影响其整体照明亮度，特别在一些用电环境比较复杂的条件下（包括厂矿、大型车间等），其控制能力降低;电力线载波作为一种有线传输的方式，其应用的灵活性和可扩充性远不能和无线传输的方式相比较，不具备多环境的应用性，无法做到跟据需要随时扩充网络节点;在成本上，电力线载波的应用控制系统复杂，涉及信号跨相（变压器）传输，其高的线缆安装、维护成本也使得其应用有很大局限;

　　5、GPRS路灯控制是使用GPRS模块和移动网络来实现路灯的远程控制GPRS灯光控制系统管理范围广，模块化好，集成度高，抗干扰能力强。但是如果要实现单灯控制，其运营管理费还涉及高额的管理费用等问题，并不具有可行性，

　　6、ZigBee技术无线灯光控制是用无线通信方式对灯具节点进行管理的，这种方式的特点在于：有一定的通信组网能力，无额外通讯费用。公共场合用灯和路灯可以自行组网，不用购买通信公司的服务。但ZigBee技术的最大缺陷是传输距离短，整套系统复杂，系统工作稳定性低，。因此目前基于Zigbee技术的灯光控制系统始终没有成熟稳定化的产品。

　　四、LDSW智能照明节能控制系统特点及优势

　　采用成都西谷曙光数字技术有限公司专利技术的远距离、低功耗、高可靠、低成本、单灯级的智能无线控制系统，依赖世界最先进的LDSW技术为核心，承接智慧城市的先进理念，开创了城市绿色智能照明控制系统的新纪元。智能照明节能控制系统能够通过合理的管理，跟据实际用电需要，自动根据不同时间、不同的照度，按照各个功能区域的运行情况预先进行开关和光照度的设置，不需要照明的时候，保证将灯关掉或降低亮度，需要照明的时候，保证足够的光照度。与此同时，通过利用LDSW无线工作人员身份卡实现灯光按需自动控制，以及利用手机或手持机实现工作现场灵活方便的控制管理。本系统能用最经济的能耗提供最舒适方便的照明管理，从而大大降低了能耗，同时实现对照明的科学化、智能化的管理

　　1、实现单灯级的无线遥控和控制

　　LDSW智能照明控制系统是将大范围的公共用灯和市政用灯的控制作为一个网络化的管理系统，由于是无线控制，并采用了先进的多频道协同工作技术，系统内的管理控制节点可真接细化到每一盏灯，同时可以灵活的将控制节点从单灯到群灯、组灯跟据需要随意调整，包括每一节点的开关、亮度都可做到按需、按时间、即时或自定义调整，做到了网络管理的简便化、可靠性的同时，为真正的智能化灯光控制垫定基础，也只有做到单灯级的控制，才有可能做到智能化。特别适合彩灯控制

　　2、实现真正的按需工作机制

　　除了通过对单灯到群灯、组灯等各个节点以无线遥控方式实现按需控制外，还可利用工作人员佩戴的LDSW无线身份卡，使每一盏灯在有用光需求时自行开关或调整亮度强弱，该控制距离从5米至500米可调，即人员进入该区域时，灯光自行打开，离开该区域时，灯光自行关闭或亮度减弱，在目前，这是LDSW技术唯一能够做到的灯光节能控制功能，此对节能具有显著效益。特别适合厂矿区、大型办公区的灯光节能管理。

　　3、灵活、多样的灯光控制手段

　　LDSW灯光节能控制系统可以非常方便而灵活的运用多种控制手段，包括场景控制、自定义控制、即时控制、定时控制等，实现前、后、高、低、奇数、偶数，或局部任意位置的灯开、关、降功率控制等的自动操作，对各种应用场景和用光需求进行预设置或组合设置，例如彩灯的控制管理，从而达到在满足各种用光需求的情况下同时实现最佳节能效益，再辅以对灯光的分组控制，彻底优化灯光控制的节能管理。

　　4、可随自然光线的亮度调节照明

　　借助LDSW的控制器，在灯具上安装特定的光敏感应器，可以方便的实现户外照明用灯和路灯的依自然光控来调节照明功能，即随着夜晚降临，白天阴暗、雾霾的情况下，或是随季节变化，早晚日照的差异情况下，灯光自动启动开关，或调节亮度。

　　5、高度的应用灵活性

　　LDSW技术的重要特点就是现场组网的构架灵活和方便，系统可以方便的整合、增加或减少管理的节点，从单灯到群、组灯可随意调整、扩充、减少控制范围，在进行控制的管理手段上，可使用中心控制及显示器、移动手持机控制、移动平板电脑控制等多种方式，系统本身可以配置中继机站进行远端控制。同时本系统还可直接通过将基站控制器直接接入GPRS，Wifi以及互联网的方法，实现无线远程控制。

　　本系统完全适应厂矿、车间、大型办公场所、市政设施路灯和景观灯管理，以及家庭、园区的照明管理，具备广范的适用性。

　　6、自动巡灯和监测报警

　　对每一盏灯的工作状况和运行状况做到定时或即时检测，包括对电源、线路、控制器和灯具本身的电流、电压等状况进行监测，并对异常情况及时报警，所有信息直接在后台控制中心显示，同时可在后台设置预保护程序，做到对每一盏灯可采取预警保护性断电或其它保护性措施。

　　7、降低维护和运营、使用成本

　　LDSW作为无线控制系统，无需铺设一根电缆即可实现全系统功能，节省了电缆材料，系统本身的安装非常方便，大幅降低了安装工程量;

　　系统使用全球免费的2.4GISM频段和自有无线网络，无网络使用费用，也不会受制于公用网络的流量、阻塞等。

　　实现了自动化监测，完全代替了人工巡灯和检测，并在任何一盏灯出现故障时，都可以自动通过手机短信等方式，及时通知相关管理人员和维修人员。使工作人员能在第一时间准确了解故障的节点和情况，大大提高了管理效率，节约了人力成本。这种成本效益是随着灯光照明系统的规模成正比，即照明系统的规模越大，这一成本效益越明显。

　　8、实现了科学化管理

　　本系统可完成对全系统，包扩灯具的运行状况计录，能记录整个照明系统在各个时段的用电情况和设备运行情况，包括峰值、电流、电压，可据此绘制用电的曲线图，为用户提供用电情况分析，为进一步优化用电的管理提供准确的数据支持。

　　9、具备了物联网化的智能管理基础（扩张功能）

　　LDSW本身就是一种适用于全社会物联网化的智能无线传感网系统，其本身的基本功能除了状况监测和遥控信息的传输、组网管理外，还同时兼容了室内外的精确定位、身份信息判定等功能，其最大的特点是这些扩大的功能均可在一套网络设备内完全兼容实现，即通过在同一套读写器布网的条件下，只需将管理路灯的 LDSW控制器进行功能升级，并增加对所监控的车辆，人员，设备等配置的LDSW智能终端标签或模块，再配置相应的管理软件和控制系统即可实现新的智能化功能，实现一网多用，设备复用的功能，从而为用户单位进一步提升各项管理工作效益、节约成本，增强竞争力，大幅改善和优化整体的运营效率。

　　1）人员定位管理实现区域/单位内的人员实时定位、考勤管理，具有对每一位员工、职员和外来人员的身份判定、位置判定、岗位界定、行动轨迹判定和不当位置报警等功能，可以使巡更、巡查工作精细化、科学化，可以对各类人员进行分类管理。

　　2）资产管理、设备监控管理实现对可移动设备、物资和贵重设备的定位、防盗管理，完成对区域内可移动设备的位置判定、持有人的信息、搜寻及授权管理等功能。

　　加装特定传感器后，可通过对电力、电压、温度、湿度和振动等因素对监测各类机器设备的运行状况进行即时监控，并进行异常情况报警。

　　3）车辆定位管理实现区域内所有车辆的定位、轨迹判定、不当位置报警和授权下的自动放行和防盗等功能，可按车辆类型（轿车、工程用车、特种车）进行分类管理。

　　4）仓储、物流智能化管理通过对货物的定位和区域内跟踪，并且利用LDSW系统的大容量瞬时盘点功能，可实现对仓库货物管理的高度清晰、有序化管理，可随时或定时对货物进行块速盘点清理，并有设置不当位置提示和防盗报警等功能，实现仓库货物的位置管理、寻检管理、块速盘点管理、防盗管理、货物进出管理等多项管理职能的自动化，极大地提高仓库管理效率，节约人力成本，即一个人就可完成对一个或多个大型仓库的管理。

　　五、LDSW灯光控制系统功能及构成

　　1、系统基本功能

　　1）单灯控制功能系统内每一个单灯可以进行预设自动控制，可按时间、路段、场景和自然光的亮度等多种需求条件下的开、关和明暗度的调节。

　　2）微型电子标签控制功能由现场有用光需求的工作人员佩带无线工作身份卡标签，通过标签与灯光控制器之间的通讯实现对灯光的控制，包括开、关、控制距离在5--100米之间可跟据需要调整和和预设

　　3）场景式控制功能可以设置半夜灯、1/2、1/3、1/4等亮灯场景模式，而且可以通过设置每个单灯的亮灯模式，实现任何灵活亮灯模式的组合，真正实现了“分时间”、“分路段”、“分情景”的按需亮灯场景模式。

　　4）自定义点亮模式可以根据设置的场景模式，也可在任意模式状态下，对需要点亮的灯，进行由近及远、由远及近、首尾缩进或自定义模式，逐一打开或编组打开，避免同时打开时，强大的瞬间启动电流对电网的冲击。该场景可以采用图示方式，也可以配合GIS系统实现直观真实的控制与展示。

　　5）定时控制功能根据预设的场景、时间（如根据经纬度自动计算日出、日落时间，生成开关灯时间表）进行自动开关灯，并可按预先存储的开关灯时间表自动开关灯。

　　6）即时控制功能如出现恶劣气候或其他原因，中心可通过平面图或者GIS地图或者信息库，对全线或单一路灯监控段及每个灯实行指令操作;也可在路灯控制段（路灯控制器）对该控制区域路灯/单灯进行（开关/控制/调节）操作;每个无线单灯控制器有路灯光控开关，恶劣气候现场光照度低于限值时，路灯自动开启，高于限值时自动关闭。

　　7）多模式任意组合控制功能可以将以上多种控制模式任意编组或组合，也可将灯任意编组、分群进行各种模式的控制，以适应用户各种各样的用光需求。

　　8）自动巡灯功能系统每隔10-20分钟或实时对各终端自动检查路灯、景观灯等运行的各项电流、电压数据，当负载发生欠流、停电等异常情况时可发出报警声光以及短信等提示值班人员注意，以便及时采取相应措施。

　　9）系统异常和自动故障报警可预先设置各种故障报警门限，例如电流，电压，温度等，出现情况时可根据报警门限实现自动报警。当出现电源故障/通讯故障 /线路故障/单灯控制器故障/灯泡故障时，能自动通过向控制计算机传送报警信号，或以及短信的方式报警并作相应记录：控制装置具有再启辉功能，在故障排除后，经自动程序指令再次点亮灯具。

　　10）统计分析与查询功能灯组控制器故障统计分析;单灯控制器故障统计分析;灯具使用统计分析。

　　11）系统维护与管理功能用户添加、修改用户权限的设定;系统时间设定;数据库维护;数据备份与恢复;数据库的修复;历史数据维护;日志的查询与维护;系统操作日志管理。

　　12）使用LDSW手机或手持机管理，实现对工作现场灯光的自动设置，和灵活控制管理。LDSW手机或手持机的控制范围从5米-500米。手机或手持机可在现场实现计算机控制中心的所有基本管理功能

　　2、系统构成

　　西谷曙光公司基于本公司独有的基于物联网无线智能网络技术而发展出的灯光控制技术方案，它共包含5大类设备：

　　1、集中传输基站：用于灯光集中控制器集中管理和现场组网。

　　2、中继器：用于延伸基站对灯光集中控制器的控制距离。扩展传输距离。

　　3、灯光集中控制器：用于LED灯控制模块的集中控制、管理和维护。

　　4、LED灯控制模块：用于对LED灯的控制和检测。

　　5、微型化移动电子标签模块：用于需要光照的人员对LED灯的即时控制。

　　6.LDSW手机（一般手机+LDSW模块）或LDSW手持机（专用手持读写器）用于在现场对灯光进行灵活的控制管理。

　　

　　西谷曙光产品系列示意图：

　　

　　系统拓扑图：

　　注：将模块嵌入在灯具中：如果是塑料壳体，则可使用内置天线，如果是金属壳体，则应将天线伸出壳体外。