淺談物聯網智能照明系統在雙碳目標下的研究與設計

呂夢怡
江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405

摘要：在全球氣候變化和可持續發展目標的背景下，智能照明系統成為了實現能耗監測和助力雙碳目標的關鍵工具。本文研究物聯網技術在智能照明中的應用，探討了技術架構、系統集成及其在不同應用場景下的效果。研究結果表明，物聯網技術的融入，顯著提升了智能照明系統在節能優化和環境可持續性方面的性能。論文最終指出智能照明系統在環境可持續發展中的關鍵作用，并探討未來的發展方向。

關鍵詞：物聯網(IoT);智能照明系統；能耗監測；雙碳目標；節能優化

0引言

隨著全球氣候變化的加劇和可持續發展目標的日益重要性，提高能源效率和加強環境保護成為國際社會關注的核心。在此背景下，照明系統作為能源消耗的重要部分，其優化和能耗監測在實現雙碳(碳達峰和碳中和)目標方面發揮著至關重要的作用。物聯網(IoT)技術的引入，以其在數據采集、處理和智能控制方面的顯著優勢，為智能照明系統提供了一種創新的解決方案。這種集成了先進傳感器、智能控制單元和通信技術的系統，不僅促進了能源節約和減排，還能通過能耗監測和管理，有效支持雙碳目標的達成。

本研究深入探討了物聯網技術在智能照明系統中的應用，并評估了其在提升能源效率和助力實現雙碳目標方面的貢獻。重點分析了物聯網技術與智能照明系統的集成方式及其帶來的優勢和挑戰，探討了智能照明系統在實時數據監測、能耗分析和優化策略中的關鍵作用。通過國內外案例研究，本文不僅評估了智能照明系統在實現雙碳目標方面的實際貢獻，還探討了所面臨的挑戰。研究方法包括文獻回顧、理論分析、案例研究和綜合評估，旨在為智能照明系統的研究和實踐提供堅實的理論基礎和實證支持，并為環境的可持續發展貢獻力量。

1智能照明系統的發展與現狀

1.1智能照明系統的關鍵技術

智能照明系統作為物聯網應用的典型代表，其核心在于將傳統照明設備轉變為智能化、網絡化的終端。本節從技術角度出發，詳細闡述構成智能照明系統的關鍵技術，并探討其如何支持照明系統的智能化和節能目標。這些關鍵技術的細節和功能見。

1.1.1傳感器技術

傳感器是智能照明系統感知外界環境變化的基礎。當前智能照明系統中常用的傳感器包括光照傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器以及溫濕度傳感器等。這些傳感器可以檢測環境光線的強度、人體的活動、聲響的變化以及環境的溫濕度等，實時收集數據，為系統的智能控制提供決策支持。

1.1.2控制器技術

控制器作為系統的中樞神經，負責解析傳感器數據并做出相應的控制決策。現代智能照明系統的控制器不僅能夠執行簡單的開關控制命令，還能根據復雜的算法和預設的情景模式自動調整照明強度和色溫，甚至還能與其他智能家居系統進行通信協同工作。

1.1.3通信技術

通信技術是智能照明系統中的一環，它負責傳輸傳感器數據和控制命令。在智能照明系統中，通信技術主要包括但不限于ZigBee、Z-Wave、Wi-Fi、藍牙以及新興的物聯網專用網絡技術如NB-IoT。這些技術各有優劣，但共同構成了一個健壯、可靠的數據傳輸網絡[2]。

1.1.4數據處理與分析技術

數據處理與分析是智能照明系統智能化的關鍵。通過數據分析技術，比如機器學習和大數據分析，系統能夠從龐大的數據中學習用戶的照明使用習慣，預測未來的使用模式，并實時調整照明策略以優化能源消耗。

1.1.5用戶接口技術

用戶接口技術則直接影響用戶對智能照明系統的使用體驗。現代智能照明系統提供了多樣化的用戶接口，如移動應用、語音控制、觸摸屏等，用戶可以通過這些接口輕松地進行燈光控制、場景設置和定時任務等操作。

1.1.6能效優化技術

能效優化是智能照明系統的重要目標之一。通過LED照明技術、智能調光技術以及其他節能措施，智能照明系統在確保用戶舒適體驗的同時，最大限度地降低了能源消耗。

1.1.7安全與隱私保護技術

在物聯網時代，安全和隱私保護同樣重要。智能照明系統必須采取加密通信、安全認證和數據保護等措施來確保用戶數據的安全和隱私不被泄露。

1.2智能照明系統的市場發展、挑戰與機遇

智能照明系統正隨全球對節能減排和智慧城市建設需求的增長而迅速發展。這類系統不僅回應了環保倡議，也滿足了對智能家居和商業自動化不斷增長的需求。當前的市場趨勢顯示，智能照明正向集成化管理系統演變，實現與安防、能源管理等多系統的互聯互通。此外，個性化和定制化的照明解決方案日益增多，能滿足不同用戶和場景的需求。

技術創新是驅動市場增長的主要因素，尤其是LED照明技術的成熟、價格下降，以及物聯網、大數據和人工智能的綜合應用3]。智能照明提供商正在向提供的解決方案提供商轉變，涵蓋設計、安裝、調試、維護和數據分析等多方面。

盡管市場前景看好，但智能照明系統的推廣和應用仍面臨諸多挑戰，包括不同廠商和標準的兼容性問題、用戶對新技術的接受程度以及較高的初期投資成本。然而，隨著5G、邊緣計算技術的發展和新興環境感知技術及智能分析方法的應用，智能照明系統正迎來新的市場機遇，為實現更加精細化和智能化的照明控制開辟了新路徑。

2能耗監測的理論與方法

2.1能耗監測的重要性

2.1.1理論基礎與目的

能耗監測的根本目的是促進能源使用的可持續性。它基于能量守恒原則，旨在通過精準測量和管理能源消耗來優化能源利用效率。這種監測機制能夠識別能源浪費的關鍵點，提供改進措施，從而支持企業和組織在成本控制、能效提升、環境責任以及政策合規方面做出科學決策。

2.1.2在智能照明系統中的應用

在智能照明系統中，能耗監測提供了一種精細化的能源管理手段，它使得照明系統不僅僅是照亮空間的工具，而是成為了一個智能的能源管理參與者。通過在系統中集成的傳感器和計量設備，能耗監測確保了能源消耗與實際需求之間的匹配。同時，它也為設備維護提供了預測性的分析，從而保障了系統的運轉和降低了意外故障的風險。

能耗監測的戰略意義在于，它的數據驅動決策支持功能，不僅在操作層面提高了能效，也在戰略層面為企業節能規劃提供了依據。長期積累的數據使企業能夠洞察能源使用的模式和趨勢，為購買能源、投資新技術等重大決策提供了科學的支持。隨著物聯網和AI技術的融合發展，能耗監測將繼續在智能照明領域扮演的角色，推動照明系統向更智能、環保和經濟的方向發展。

2.1.3能耗監測的戰略意義

能耗監測在智能照明系統中的應用具有深遠的戰略意義，它不僅在短期內通過的數據收集和分析促進能源成本的節約，而且在長期中可支持可持續發展的戰略目標。通過實時監測和優化能源使用，智能照明系統提升了能源利用效率，減少了不必要的能源浪費，并通過故障預測和維護需求的及時響應，保障了系統性能的優化。智能照明系統所提供的詳盡數據，不僅有助于環境保護和碳排放的減少，而且在政策制定和城市規劃中發揮了重要作用，使得決策更加科學和有預見性。隨著物聯網和智能化技術的進步，能耗監測將進一步提升其效率，為智能照明系統的創新和應用提供新的可能性，推動照明行業向著更環保、智能化的方向發展。

2.2能耗監測的技術方法

在智能照明系統的設計和優化中，能耗監測技術扮演著核心角色，其主要聚焦于系統的準確性、實時性、可靠性以及用戶友好性。通過集成實時數據采集、數據通信、云計算與邊緣計算、數據分析與模式識別等技術，如圖2所示，智能照明系統形成了一個能耗監測網絡。

智能照明系統內的傳感器，包括光照傳感器、運動檢測器和溫濕度傳感器，負責收集照明使用和環境條件相關數據。這些傳感器提供關鍵參數的實時監控，如照明強度、使用頻率和持續時間，從而提升數據收集的自動化程度。采集到的數據通過無線技術如Wi-Fi、ZigBee、藍牙以及LTE和5G網絡安全高效地傳輸至中央處理系統，確保數據的及時處理。

云計算和邊緣計算技術在處理和分析龐大數據集方面發揮關鍵作用，提供了高效的計算平臺。這些技術的結合提升了能耗監測的效率，且支持復雜的數據分析和智能決策制定。同時，機器學習算法和人工智能技術用于從大數據中識別能耗模式和趨勢，預測未來需求，識別異常消耗，提出節能策略。

用戶友好的界面和反饋系統是能耗監測的重要組成部分，提供了智能手機應用、網頁界面和自動化報告工具等多種用戶接口方式，使用戶能夠直觀地查看和理解能耗數據，并據此調整行為。此外，能耗監測系統還與照明控制系統集成，實現基于環境變化的自動化能耗管理。

未來的能耗監測將更多依賴于人工智能和物聯網技術的發展，以實現全自動化和高智能化的能耗管理[4]。在設計這些技術時，考慮系統的可擴展性、安全性和可維護性至關重要，同時還需確保符合現行的數據保護法規，保障用戶數據的隱私和安全。

3智能照明系統在雙碳目標中的作用

3.1碳排放監測與管理

在智能照明系統的研究與實踐中，碳排放監測與管理成為實現雙碳目標的關鍵組成部分。智能照明系統利用集成的傳感器技術實時監測能源使用，特別是電力消耗，這直接關聯到碳排放的量化5]。系統分析這些數據以識別高峰和非高峰時段的能源使用模式，并據此調整照明強度，有效降低電力需求和碳排放。

進一步地，智能照明系統在更廣闊的碳管理策略中扮演重要角色。它們能與建筑管理系統集成，與空調、加熱等能耗系統相協調，從而優化整體建筑能效。這不僅減少了單個系統的碳排放，而且提升了整個建筑群的能源管理效率。此外，智能照明系統通過其集成軟件平臺，可跟蹤和報告碳排放量。這些平臺將實時數據轉化為碳排放的估算值，并提供模擬和預測工具，助力決策者制定科學的碳減排策略。

綜合來看，智能照明系統在碳排放監測與管理中發揮著至關重要的作用，不僅降低了自身的碳足跡，而且助力實現更為廣泛的可持續發展目標。隨著技術的進步和環境法規的完善，智能照明系統在碳管理領域的作用將持續增強，成為實現雙碳目標的關鍵力量。

3.2智能照明系統對能效提升的貢獻

智能照明系統在能效提升方面的作用不可小覷，其通過集成的傳感器和智能控制算法，能夠對環境和使用模式進行實時監控，并相應地調整照明輸出，確保能源的有效使用。這種自適應調節不僅減少了能源浪費，而且降低了運營成本，提高了系統的總體能效。此外，智能照明的集成管理平臺，可以在更廣泛的范圍內進行能源優化，從單個建筑到整個城市的照明網絡，實現規模化的能效管理。

LED技術的融合進一步增強了智能照明系統的節能潛力，提供了更長的壽命和更低的能耗。智能照明系統還支持與其他智能建筑系統的集成，如暖通空調系統，以全面優化建筑能效。用戶反饋機制和全生命周期能源管理的考慮，確保了智能照明系統不僅在直接節能上有效，而且在促進用戶節能行為和支持持續的能效管理方面也有所貢獻。隨著技術進步，智能照明系統在節能減排及助力實現雙碳目標的路途上將發揮越來越重要的作用。

4照明系統創新實踐與深度洞見

4.1智能照明系統實踐與評析

智能照明系統的實際應用案例為理解其在現實世界中的作用和影響提供了寶貴的視角。以下是幾個國內外在不同環境和規模上實施智能照明系統的案例，它們展示了物聯網智能照明系統在提高能效、減少能源消耗及碳排放方面的實際成效。

商業建筑照明：文獻中7]提到，通過分析不同的照明控制策略，論文展示了如何有效提升商業建筑的能源效率。通過實施占用適應和采光利用策略，例如安裝運動檢測傳感器和光傳感器，智能照明系統能夠根據實際需要動態調整照明。這些措施減少了在無人區域和自然光充足時的能源浪費。研究結果顯示，這些智能控制策略可以使日常能耗降低約10.22%。當這些策略與物聯網(IoT)技術結合時，尤其在智能建筑中，能效提升更為顯著。這種綜合應用的智能照明系統不僅降低了能源消耗，還為商業建筑提供了一種有效的節能解決方案，幫助應對氣候變化挑戰。

城市道路照明：文獻中8提到，通過采用智能控制系統和LED光源，實施了自動調節照明強度的措施。系統包括運維終端、管理中心、路燈采集器和智能單燈節電單元，能根據實時交通流量和光照條件自動調整照明。這些措施顯著減少了道路和橋梁照明系統的電能消耗。雖然論文沒有具體提到節能的具體百分比，但通過實際案例分析顯示，采用這些智能控制技術顯著增強了節能效果，展現了在道路和橋梁照明節能方面的巨大潛力。

工業建筑照明：文獻中[9]提到，通過優化設計、選用光源和智能控制系統等措施，在工業建筑中實現照明節能。特別提出了利用物聯網技術進行智能照明管理，如照度自動調節和人員活動監測，以及通過使用LED燈具替代傳統高耗能照明設備來降低能耗。案例分析顯示，將400W金鹵燈替換為200WLED燈，在保證滿足照明需求的同時，功率密度值節省了約42%。這一改進預計每年可為大型工業廠房節省約280000kWh電量，突顯了在工業建筑中實施綜合節能措施的巨大潛力。這項研究不僅展示了節能技術的實際應用效果，也為進一步推廣工業建筑節能提供了有力證據。

智慧校園照明：文獻中[10]提到，通過對UTHM的G3教學樓進行案例研究，識別了當前的占用照明使用模式和照明性能，以確定照明系統的節能潛力和策略。研究發現，31%的照明負載被浪費，13%的照明負載被用戶誤用。此外，照明性能滿足推薦的平均照度水平(300～500lx),這符合MS1525:2007對教室工作內飾的照明要求。通過結構化問卷調查了用戶對照明能源保護行為的認知意識和實踐，發現大多數受訪者認為他們在照明能源保護行為上有良好的認知意識和實踐。基于這些數據，提出了結構性和非結構性節能措施，以提高教學樓照明系統的使用效率和節能效果。這項研究顯示，通過實施節能措施，有潛力在教學建筑中節省大量能源和成本。

綜合分析表明，在商業辦公空間、城市基礎設施、工業區域以及教育機構中，智能照明系統已被證明可以提供高度定制化的解決方案，以滿足不同環境的特定需求。通過整合先進的傳感器網絡、數據處理平臺和用戶友好的交互界面，這些系統在全球范圍內展現了它們在增進能效和助力達成雙碳目標方面的顯著潛力。現有案例證實，智能照明系統不僅優化了能源使用，還通過智能化管理，顯著提高了能源利用效率，進而為實現碳減排目標做出了重要貢獻。隨著物聯網和人工智能技術的不斷進步，我們可以預見，在未來，智能照明系統將為全球帶來更加顯著的經濟收益和環境效益，從而在智慧城市和可持續發展領域發揮更加關鍵的作用。

4.2智能照明實施的洞察與策略

智能照明系統在多個領域的成功案例揭示了集成化系統設計、數據監測、靈活的控制策略、用戶參與度的提高，以及系統間集成的能力，是提升能效和用戶體驗的關鍵因素。這些案例證明了智能照明系統不僅優化了能源使用，通過智能化管理顯著提高了能源利用效率，而且為實現碳減排目標做出了重要貢獻1。隨著物聯網和人工智能技術的進步，智能照明系統將為城市和可持續發展領域帶來更加顯著的經濟和環境效益。

在設計和實施智能照明解決方案時，考慮經濟可行性與技術實施的平衡至關重要。長期的成本效益分析表明，雖然智能照明技術的初期投資較高，但通過節能帶來的長期節約能夠彌補這一成本。用戶的參與和接受度也是項目成功的決定性因素，用戶友好的界面和反饋機制能夠鼓勵和引導用戶行為，實現能源使用的優化。智能照明系統的未來發展將依賴于跨系統整合的策略，這不僅提升了能效，還可能改善室內環境質量，預示著智慧建筑發展的新趨勢。

5 安科瑞ALIBUS智能照明控制系統

5.1 背景

與傳統照明相比，智能照明可達到安全、節能、舒適、高效的目的，因此智能照明在家居領域、辦公領域、商務領域及公共設施領域均有較好發展前景。隨著物聯網、大數據、5G、云計算等新興信息技術的發展，工業照明領域也從單一的照明模式進入到智能照明新時代，智能照明應用的場景不斷拓展，“智慧工廠"、“智慧礦山"、“智慧車站"、“智慧港口"等概念不斷提出，智能照明新興技術的發展將不斷吸引工業照明企業加大研發投入，從而得到持續發展。

5.2 系統架構

6 系統主要功能介紹

6.1手動控制

靈活分組燈具可以靈活地編組，修改可以通過軟件設定，無需改變原有線路；場景切換，通過智能照明控制系統實現一個空間下的照明場景一鍵切換。

6.2定時控制

天文時鐘，根據經緯度自動計算當地每天日出日落時間，實現日落開燈、日出關燈；節假日模式，從周一到周日，根據每天的不同工作計劃，靈活設定每天的照明計劃；

預約模式，遇重大活動或節慶日，可以提前設定當天的特殊照明計劃。預約的時控計劃將覆蓋日常的計劃被執行。

6.3自動控制

通過照度探頭和（人體）運動傳感器來實現自動感知現場空間內照明狀況和需求，從而根據事先的策略進行自動照明控制。

6.4調光控制。

節能減排，通過合理地亮度調節，在符合照明標準要求的前提下盡可能地降低能耗，為節能減排做出貢獻；人因照明，人因照明（Human Centric Lighting,簡稱HCL），它模仿自然日光以提高身體機能。它提升了人的表現、舒適度、健康和安適狀態；氛圍營造：通過色溫與亮度的調節，為賓客營造舒適的環境氛圍或者為提升商品與展品的“顏值"做出貢獻。

6.5集中管理。

集中控制，GB 50034-2013《建筑照明設計標準》 7.3.2 公共場所應采用集中控制；能耗監測：GB51348-2019 《民用建筑電氣設計標準》 可實時顯示和記錄所控照明系統的各種相關信息并可自動生成分析和統計報表；故障報警：GB/T 34923-2017 《路燈控制管理系統》 應具有數據存儲、數據管理、亮燈率統計、故障監測、遠程監控、故障報警、地理信息管理等功能。

6.6系統對接

系統聯動，通過開關量信號與其他系統進行聯動，例如與消防監控系統聯動等；系統集成，作為一個子系統，集成在大的系統平臺中，例如集成至我司的綜合能效管理平臺EMS系統。

7 系統硬件配置

8 結語

8.1研究總結

本研究對物聯網智能照明系統在實現雙碳目標的能耗監測中的應用進行了全面評估。研究表明，集成物聯網技術的智能照明系統能夠顯著提升能效和用戶體驗，通過高度自動化和精準的能耗監控，實現能源使用的優化。智能照明系統強調了數據監測的重要性，利用先進的傳感器網絡、數據分析技術和用戶互動，為能源管理提供了實時、動態的解決方案。案例分析揭示了智能照明系統在不同場景下的節能潛力，證明了其在降低碳排放、提高能源效率方面的實際成效。

未來的發展需要集中于提升系統的技術集成、用戶參與和經濟可行性，以確保長期的能效和環境效益。智能照明系統的持續優化和技術創新，將為城市智能化和可持續性發展提供支撐，推動行業向更環保、智能化的方向發展。隨著物聯網和人工智能技術的進步，預計智能照明系統將成為智慧城市和可持續發展領域的核心力量，為全球環境保護和能源管理開辟新的可能性。

8.2未來研究方向與建議

智能照明系統作為物聯網應用的一個重要分支，在推進雙碳目標和能效提升方面展現出巨大潛力。通過集成的傳感器網絡、智能控制策略以及用戶互動界面，它不僅優化了能源使用，而且通過智能化管理顯著提高了能源利用效率，為節能減排做出了積極貢獻。實際案例分析顯示，無論在商業、工業還是教育等多個領域，智能照明系統均能提供定制化解決方案，以滿足特定環境需求，有效降低能源消耗和碳排放。

未來研究應關注智能照明系統的技術融合、用戶參與度提升以及經濟可行性，以確保長期的能效和環境效益。同時，跨領域集成和長期影響評估將是關鍵研究領域，以推動智能照明系統在智慧城市和可持續發展領域中的核心作用。隨著技術的不斷進步，特別是物聯網和人工智能的深入發展，智能照明系統有望在全球環境保護和能源管理中開辟新的可能性，成為實現更環保、智能化照明的重要推動力。

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