浅析无线传感网络技术的智能照明系统在高校地下车库的应用实践

摘要：天津某高校地下车库采用传统照明系统，存在耗能大、寿命短和照度不够等问题。为了有效改善车库灯光环境，节省车库的运营和管理费用，借助无线传感网络技术，对灯光参数进行管理和智能化控制。通过介绍项目的改造概况，阐述智能照明系统在高校地下车库节能改造中的应用原则、模式设计，总结节能改造的方法。基于校园能源监测系统的用能数据，列出智能照明系统改造前后同期的用电量对比并计算回收期，以衡量智能照明系统的经济性。结果显示，在照明智能化改造后，该校地下车库每年可节约电量31.63万kWh，2年多即可收回成本，节能率达91.01%。

关键词：车库灯；无线传感网络；智能照明系统；地下车库

0.引言

在城市建筑中，大型地下机动车库越来越普遍。由于人员和车辆的流动具有不确定性，多数地下停车场的灯具不分昼夜、节假日全部开启，会造成电能浪费。若采用智能照明系统，可以根据需要合理调整照明灯的使用时间和亮度，实现能源的精细化管理，提高照明的稳定性，为车辆和行人提供更加安全、舒适的环境，同时节约能源。因此，地下车库照明用电的节能潜力较大，是城市建筑节能工作不可忽视的一部分。

在实施地下车库智能照明控制系统建设，特别是既有车库进行智能化照明改造项目中，需要考虑多种因素，例如需要考虑其智能化程度、节能效果、设备布置的灵活性以及维护的便捷性。

文中通过优化照明设备、应用基于无线传感网络技术的智能照明控制技术，对某高校地下机动车库开展智慧照明建筑节能改造工程。结合高校实际用能特点，制定因地制宜的照明方案，依托数字化能源监管平台对车库的用电量进行实时监测，为同类型地下车库的智能照明系统设计和改造提供参考。

1.地下车库照明标准

《建筑照明设计标准》（GB50034—2013）明确规定，住宅建筑地下车库的照度标准为30lx，通用房间和场所的公共车库地面照度则要求达到50lx。

2.项目概况

2.1项目概况

以高校地下机动车库智慧照明节能改造项目为例，该校共有4个地下机动车库，建筑面积为22120m2，共有331个车位，改造前装有1241支36W的传统荧光灯，地下机动车库灯管数量如表1所示。

表1地下机动车库灯管数量

地下车库的车道采用双排布灯，车位采用单位布灯。层高为3.6m，灯具安装吊距地2.7m。改造前，部分车道灯具间隔开启，主干道平均照度为32lx。

2.2耗电量过大原因分析

学校照明灯具为传统的荧光灯，与目前发展成熟的LED灯相比，荧光灯的光效较低，耗电量较高。

人车的活动具有不确定性，因缺乏智能控制方式，仅靠人工无法及时、准确地识别人车活动的具体方位、按需开灯。

地下车库的监控摄像头需进行补光，因此人流量较少的区域也不能关灯，而在设计照明电路时通常不会考虑单独控制监控摄像头的补光灯，因此该条线路的灯具须全部开启。

2.3自然环境导致维修频次高

地下车库夏季高温潮湿，荧光灯存在密闭性差且易受潮导致损坏的缺点，每年需要花费人、财和物成本，保证照明系统的正常运行。

3.基于无线传感网络技术的智能照明系统

智能照明系统主要由云端服务器、网关、LED红外感应灯等组成，智能照明系统原理如图1所示。

LED红外感应灯集成了通信模块、人体感应器和LED光源。LED灯相较于传统的照明灯具，展现出绿色环保、节能、光效高及使用寿命长等特点；可独立控制每支灯具的电流值，使灯的亮度根据需要在0~100%范围内变化，灯的耗电量也随之变化，实现了二次节能；单支灯实现了独立控制，每盏灯具均有独立的地址，使控制对象由传统的照明回路精细到每盏灯，灵活性强；通过分组联动实现舒适、自然、流畅的交互体验；每盏灯都嵌有一个智能照明控制器GS-Linker，集成了2.4G自组网通信协议和智能调光功能，可多条桥接形成无边界大规模自组网；根据车道长度、灯具数量等情况，根据经验人工将灯具分组。

图1智能照明系统原理

若某灯具感应附近人车移动，自动将信号传输给同组灯具，实现同组灯具联动亮起并延时休眠；邻组的灯具感应区域在边界有重叠，可实现邻近组别的灯具联动，提前调亮，为人车提供舒适的体验；无须重新布线，项目只要更换灯不需要改造线路，工程上操作简单。

网关是实现云端服务器与LED红外感应灯通信的设备，可以上传灯具能耗、亮灯时长、当前灯具工作状态（感应、休眠、全亮、全灭、恒照度）；也可给灯具下发命令，例如亮度调整(0~100%)、联动区域调整、延时时间调整等。

云端服务器可以实现远程控制、数据上行、数据统计和使用需求分析等。云端服务器可以存储每只灯具的用电情况，也可通过服务器远程控制灯的参数和状态实现远程开关灯、可配置场景模式一键切换等操作。

4.照明系统整体设计思路

4.1灯光参数的设计思路

工程目标是使投资、节能、舒适之间达到平衡。根据现场的情况，结合我国照明设计标准，采取样本点位，通过改变灯具亮度(0~100%)，调整车库地面的照度并用照度计测量地面照度值。调光与照度的测试数据如表2所示。

表2调光与照度的测试数据

4.2灯具分区分组控制方案

为了确保地下车库内行人和车辆的安全和照明舒适性并综合考虑消防安全、监控需求，根据实际需要调整灯光亮度和布局，实现节能减排。

根据现场情况，将主干道邻近区域的部分灯具分为一组，建议以1~10支为同一组。灯具感应到人车经过该区域时，相应组别的灯具自动亮起，每盏灯具功率为18W，能够为该区域提供充足的照明；当人车离开该区域时，该组灯具延时自动调整为微亮模式，每盏灯具功率为3W。

根据灯具的红外传感器捕捉人或者车的移动情况，以保证有人或者车移动时，灯具保持开启，人车停止移动后灯具延时熄灭。

为了保证安全，在死角位置设置常亮灯，并根据需要设置灯光功率，一般为9W。

为了满足消防安全和监控的清晰度要求，在适当位置设置常亮灯，并根据需要设置灯光功率。

车库出入口安装带光照感应功能的红外感应灯，在日间光线充足时，灯具不开启；在光线达不到照度要求时，灯具感应入口有物体移动，打开灯光并延时熄灭。

4.3不同照明应用场景设计

根据不同情况设计场景开关一键切换功能。智能照明控制模式：所有区域启用上述的智能照明控制方案。全负荷照明模式：所有回路灯具满负荷运行，可作为特殊需要的场景应用。假期模式：假期到校教职工减少，可开放部分区域，切换为部分开放区域启用智能照明控制方案，其他非开放区域仅开启死角照明和消防监控照明，其余灯光关闭。

4.4投资成本

项目按照工程审计，灯管价格为105.54元/套（含安装费10元），加上网关、软件等费用，初装成本平均为222.71元/套，总花费约276829.22元。项目投资明细如表3所示。

表3项目投资明细

5.实验数据和节能效果分析

5.1现场数据实测

基于能源监测系统统计用能数据，选取典型点位，对地下车库改造前后的照明情况和用电量进行实测。改造前后用电量对比如表4所示，改造前后照度对比如表5所示。

改造后，照明用电量大幅度减少，平均节能率超过70%；照度也得到大幅度改善，由33lx提高到52lx。

表4改造前后用电量对比

表5改造前后照度对比/lx

5.2经济效益分析

5.2.1降低电耗

基于能源监控系统的数据，对4个地下车库进行实例研究。通过设置不同场景，经过测试与数据对比分析，验证智能照明系统的节能效果和可行性。

场景1：改造前车库24h荧光灯全开；场景2：改造前车库24h荧光灯间隔开启；场景3：改造后车库采用智能照明控制模式。

场景×日节电量=场景×日用电量-场景1日用电量(1)

节电率=场景×日节电量/场景1日用电量×100%(2)

LED灯全开与智能模式耗电对比如表6所示。

表6LED灯全开与智能模式耗电对比

由表6可知，与荧光灯照明方案相比，地下车库采用红外感应LED灯照明方案具有更好的节电效果。

据能源监测系统数据统计，相比于改造前场景1的用电量，改造后一年可节约电量31.63万kWh，节约电费16.45万元，节能率为91.01%。

相比于改造前场景2的用电量，改造后一年可节约电量11.21万kWh，节约电费5.83万元，节能率为78.19%。

5.2.2降低运行成本

综合灯具更换成本、灯具维护管理费用和年用电费用[11-13]，电费按照0.52元/kWh计算；初装成本中荧光灯按15元/只，安装费均为10元/套计算，荧光灯40元/套，LED红外感应灯按105元/套计算。灯具使用寿命中，荧光灯管平均使用寿命为15000h，LED红外感应灯管平均使用寿命为40000h；项目运行经济性测算的计算使用周期为2年和5年。

项目运行经济性测算结果如表7所示。

表7项目运行经济性测算结果

由表7可知，LED红外感应灯的初装成本较大，但节电率较高，灯具后期更换成本较低。对于该项目，2年多即可收回成本，5年累计可节约成本56.42万元。采用无线传感网络技术（Mesh自组网）的车库LED红外感应智能照明控制系统，在满足车库照度使用要求的基础上，能够显著降低运行成本。

5.3社会效益

改造项目响应我国住建部《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中关于对建筑节能绿色改造、加快LED照明普及的要求，响应天津市住建委《天津市城乡建设领域碳达峰实施方案》中推动公共区域照明及智能照明控制改造的要求，为加快推广应用节能环保的LED产品、促进节能减排作出贡献并起到示范效应。

5.4安全

传统荧光灯含有铅汞等有毒元素

6.安科瑞智能照明控制系统

6.1概述

ALIBUS智能照明产品采用RS485总线技术，技术成熟可靠，安全稳定。开关驱动器具备独立工作的能力，适用于一些中小型的项目；模块化设计，可以任意拼接扩展，同时预留I/O口以及Modbus接口，还可以满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换。

6.2应用场所

适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明控制需求18702111076。

6.3系统结构

1）实时检测并显示各个模块的在线状态，反馈现场受控回路的开关状态，监控界面按照楼层各分区的布局和回路列表来浏览。

2）当发生模块离线、网关设备掉线或者状态反馈和下发控制命令不一致时会发生故障报警，并将故障报警信息记录并显示在界面中。

3）可以对单个照明回路实现开关控制；每个模块、楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以一个模块或者整个楼层实现开关控制。

4）开关驱动器支持过零触发功能，负载（灯具）的分合操作仅在交流电过零时进行；可有效减少电磁干扰以及对电网的冲击，延长灯具与控制装置的寿命。

5）对每个照明回路可以预设掉电状态，当照明电源掉电时，开关驱动器会自动切换到预设的掉电状态；确保重新上电时灯具的开关状态是确定与可控的。

6）拖动调光控件，照明设备从0%到100%进行调光，可以对单个照明回路实现调光控制，调光总控可以对一个模块的照明回路实现调光控制，也可以对多个照明回路实现调光控制，通过图标的亮灭状态反馈现场开关的状态。

7）点场景控件，打开或者关闭对应场景设置，软件界面上显示不同的场景模式和场景功能，通过图标的亮灭显示对应的场景状态是打开还是关闭。

8）设置定时时间，确认时间点后，对该事件点执行的动作进行设置，设置灯在设定的时间点亮或者灭。

9）系统可以通过预设的当地经纬度信息，自动计算每天的日升日落时间；根据天文时钟控制照明开关，实现日落开灯、日出关灯的功能。

10）所有定时控制计划均可下发保存至驱动模块；当上位机系统故障或模块离线时，驱动模块可以利用自带的RTC时钟维持定时控制计划的正常执行，不影响日常的照明控制效果。

11）系统结构是分布式总线结构；系统内各元件不依赖于其他元件而能够独立工作；系统内各元件可以通过程序的设定实现功能的多样性。

12）预留BA或三方集成平台接口，采用modbus、opc等方式。

7.智能照明系统硬件选型

8.结语

以天津某高校地下车库智能照明改造项目为例，详细阐述改造方案的选定和工程实践的经验；基于实际的建筑样本和详细电耗数据，对不同使用场景进行实测。结果显示，改造后在光照亮度、舒适度和节能效果等方面均取得良好的效果，具有一定的优势和实用价值，为车库的运行和管理提供更加智能化、安全化和舒适化的支持，节能效果明显。

基于无线传感网络技术的LED红外感应智能照明系统在高校地下车库的成功应用，验证了智慧照明系统是未来的发展趋势，能够为同类型地下车库的智能照明改造项目及节能管理提供参考。

参考文献

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