基于AIoT技术的LED智能节能照明控制系统
于春荣 马满增 刘春玉
【摘要】针对传统照明控制方式效率低，劳动强度大，节能效果差等缺点，本文提出基于AIOT的智能节能照明控制系统，将人工智能技术和物联网技术嵌入LED照明终端，实现数字化远程智能照明控制与监测，具有智能按需照明、节能率高、主动感知能力强、操控简单等特点。
【关键词】AIOT;智能节能照明;数据监测
【基金项目】沧州市重点研发计划指导项目：物联网环境下道路照明智能控制系统的研究（项目编号：204102001）
中图分类号：TN929 文献标识码：A DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.17.023
“AIoT”的中文名称是智能物联网，即“AI+IoT”，是人工智能和物联网技术的有机组合、应用融合。AIoT以人工智能和物联网技术为基础，以数据挖掘形成控制策略，以半导体为智能算法载体，以各类传感器信息采集为基础，以通信网络和信息安全等技术为实施保障。实现万物数字化、智慧化和网络化。即将AI赋能于IoT并最终实现物联网的智能化升级。
1. 基于AIoT技术的LED智能节能照明控制系统发展现状
智能照明技术自从上世纪90年代进入中国市场以来，受到市场环境、产品价格、消费意识、产品市场推广力度等各方面原因的影响，市场保有量有限，发展缓慢。近年来，随着人们节能意识、智能化消费意识的提升，国内智能照明行业迅速进展。据调查显示，2017-2020年，我国智慧照明市场规模由118.10亿元扩大至近250亿元，年均增速达到47.6%。智慧照明行业涉及领域广阔，涵盖智慧城市照明方案设计、智能家居照明设计，智能商用照明设计，产品研发制造及后期运维管理等多个环节。目前，我国城市照明行业内企业数量众多，但80%企业规模较小，产品智能化程度较低，产品特色差异性较弱，市场竞争较为激烈。从地域分布来看，目前国内规模大、技术较领先的智慧照明企业主要集中在广州、深圳等一线城市以及江苏、浙江等发达省市，区域市场特征明显。其中最具代表性的为中山市古镇的“中国灯都”，常州市“中国灯具城”，山东省临沂市“中国灯具交易市场”。
随着美丽中国、新型城镇化、智慧城市等概念的提出，特别是“十四五”规划中将减少碳排放量，实现生态化可持续发展，提升到国家战略地位。地方政府由此对于智能化照明节能工程重视程度不断提升。预计未来我国智慧城市照明行业市场集中度和普及率有望得到进一步提高。
2. 基于AIoT技术的LED智能节能照明控制系统
传统的基本物联网技术智的能照明控制系统，分别由终端感知执行层、信息传输层和控制应用层组成。其中终端感知层主要包括各类智能传感器，其主要功能为采集设备运行数据、设备运行能耗、运行状态等数据。并且自动执行控制层操控终端设备运行命令等功能。具有自组织、自学习、自诊断和自补偿、复合感知等能力;信息传输层由ZigBee、NB-IoT、5G等无线通信技术构成，是整个的控制系统的信息传输通道;控制应用层则主要由控制、云存储、执行、管理等集群组成。其主要功能為分析终端感知执行层回传的设备运行数据，能耗数据，运行维护数据，最终形成智能照明控制策略，控制终端感知执行层。
基于AIoT技术的智能节能照明控制系统，在传统物联网技术的三层架构体系（的基础上，结合AIoT技术的实际融合应用，系统总体层级架构共计5层，分别由终端设备层、智能感知层、网络通信层、AI控制层和应用场景层构成。其中，终端设备层位于架构的最底层，是智能节能照明控制系统实现“绿色化”和“智能化”的承担者;智能感知层即具有通信能力的各类智能化设备以及智能传感器和控制器，可进行信息的初步处理并为应用场景层提供基础数据;网络通信层即系统中的各种网络系统和综合布线系统，主要承载着来自感知层获取的信息传递和数据通信的任务;AI控制层则相当于人工智能控制决策平台，即通过AI智能单元、智能算法以及信息技术来完成各个子系统的实时数据和信息的挖掘、分析、统计及整合，最终实现自主学习与控制、智能决策及个性化定制等功能;应用场景层即根据不同用户的不同要求建立面向具体用户的各个模块系统的系统集成平台。系统关键技术包括：
2.1 按需照明
与传统的照明方式相比，基于AIoT技术的智能节能照明控制系统能够依照国家相关照明标准，满足不同用户，不同时段，不同季节，不同环境场景的照明需求，同时节约电能。实际应用中，采用AI单元模块嵌入LED智能照明灯具，根据对场景照明终端采集数据的挖掘与分析，形成专用照明节能控制策略，通过人工智能+物联网控制方案，结合人体侦测感应和光照传感器，实现人体感应控制、光线感应补充调光控制、定时照明控制以及场景预设控制等，对不同光照、不同环境的照明能耗进行精确管理，严格将照明效果控制在国家标准范围内，即足够满足照明需求，又不浪费每一度电。
系统包括上位机和照明子系统，各照明子系统的子控制器通过网络与上位机通讯连接，照明子系统包括传感器、控制器、存储器、智能开关和若干子照明控制单元;照明子系统传感器将采集的图像信息传输给控制器，处理后将结果上传至上位机;上位机控制器接收并处理后，形成照明节能控制策略，上位机通过控制器发送控制指令，控制智能开关对照明终端进行调控。基于AIOT智能照明系统可将照明区域划分为若干个子照明区域，可分区域自主性控制各子照明区域内的照度、色温等光照信息。系统实现了按需分配照明的智能化管控制度，避免无照明需求区域照明。
2.2 故障预测
基于AIoT技术的智能节能照明控制系统可进行故障实时监测、异常数据分析以及利用预测模型进行故障的提前预测，确保安全、节能、提升系统运营与维护管理效率。在提高和满足人员健康和舒适性的同时有效降低能耗，还可以基于构建的AI算法模型来针对照明系统开展全生命周期的故障诊断、预测以及健康评估与运维管理，从而使照明系统的智能化运维更具可持续性，主要功能如下：
（1）故障在线诊断，照明系统运行过程中，时时监控灯具运行状况，采集灯具及附属设备的电新疆高速公路调频广播覆盖及应急广播综合工程系统设计初案压、电流、功率和亮度等参数及时上传到上位机数据库中，上位机管理控制中心对数据进行分析、对比后，及时筛选异常数据，定位故障灯具和故障设备，并以短信、终端异常显示、鸣叫等方式提醒管理人员进行维护。
（2）系统巡测、统计分析和决策，监控设备按设定的时间周期自动定时巡测，也可随时手动巡测和选测各终端设备的运行状态。巡测包括照明灯具及附属设备运行状态、亮灯时长、耗电量等参数，并计算当前出节电量、节电率、故障灯维护管理数据，以EXCEL图、表的形式显示。管理人员随时查询、导出，形成一部完整的节能档案，为管理人员解决实际问题以及预测和优化照明灯具运维提供决策参考。
3. 基于AIoT技术的LED智能节能照明系统发展趋势
智能照明系统通过终端设备感知层的传感器对照明场景内的用户、照明环境、照明效果、照明时长、照明动态变化等相关信息进行采集，并进行数据挖掘、分析，形成对应的智能节能照明控制策略，对LED终端照明设备进行调节。因此照明效果始终与照明要求动态呼应，智慧、节能理念贯穿始终。未来基于AIOT的智能节能照明控制系统，将取消电路开关，完全依靠场景的需求。进行照明。这种融合数字化、智能化和经济性为一体的智慧照明正在成为未来照明产业发展的重点。而随着国内智能照明行业逐渐走向成熟，智能照明产品普及率将逐年提高，未来智慧化LED照明行业将出现四大机会。
3.1 光源和新技术的成熟或迭代
多年前，通讯照明、光纤照明、激光照明等多种新产品或应用技术已经出现，且在不断地探索和完善中。在技术日益创新的时代，智能新材料、模块化新技术，智能化照明、智慧化家装的新潮流，成为这个全新领域的“独角兽”和创变者的关键词。
3.2 新应用可能改变传统照明方式
LED和建筑材料、装修材料、家居产品的融合也会是一种新趋勢，从而改变固有的一些照明方式。模块化建筑材料的发展很可能在未来改变家装行业，通过模块化、智能化理念重塑装修行业新价值。
3.3 新供应链模式带来的行业和市场机会
传统行业的销售模式基本属于B2B2C模式，但根据大数据而催生的C2M柔性定制模式已经成为公认的新趋势，红岭、海尔、美的等大企业在这些方面都做了较早的探索，并取得了的优势。未来，人们生活将更加推崇个性化、定制化。
3.4 照明产品的电子化趋势
LED的出现让照明产品更趋于电子化，而电子化意味着电子信息科技、电子技术和应用的接入，让照明产品的创新充满无限想象的空间。这种电子化趋势，为照明产品注入更多活力，实现光与建筑、光与艺术、光与空间、光与人等之间的交互，让照明变得更具想象力。
从白炽灯到荧光灯及卤素灯的迭代，整整用了近百年;从传统照明迈向普及性的LED照明，却只用了十余年的时光，这是新技术的力量！未来，我们期待更新、更强和更多元化的照明技术、产品和应用方式的出现，为人类创造更健康、更具效能、更节能环保的新生活。
参考文献：
[1]吴铁保，基于物联网的智能LED照明集中控制系统研究[J]，科技经济导刊，CNKI：SUN：JJKJ.0.2020-25-015
[2]赵雪崧，白娜，基于IOT架构的节能型智能照明控制系统[J]，黑龙江科技信息，2019（000），012：69-70
[3]关蓓蓓，田立国，基于IOT的LED智能照明控制系统的设计[J]，科技创新与应用，CNKI：SUN：CXYY.0.2017-17-027