CC BY
12Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Разработка интеллектуальной системы управления освещением на основе IoT - технологий
Абдуллаев Темурбек Маруфжонович,
Доктор философии (PhD) по техническим наукам, ФФ ТУИТ им. Мухаммада аль-Хорезми, г. Фергана,
Узбекистан. Email: [email protected]
Козлов Александр Павлович,
магистр ФФ ТУИТ им. Мухаммада аль-Хорезми, г.
Фергана, Узбекистан. Email: [email protected]
Аннотация: Здания потребляют много энергии, и неэффективное освещение увеличивает затраты. В исследовании представлена система управления освещением на базе технологий Интернета вещей с PIR - и доплеровскими датчиками, датчиком внешнего света и адаптивными алгоритмами. Испытания в учебном помещении ФФ ТУИТ показали снижение энергопотребления на 36%. Это решение способствует созданию экологически умных зданий, что экономически выгодно и поддерживает устойчивое развитие городской инфраструктуры.
Ключевые слова: интеллектуальное освещение, микроконтроллер, датчик движения, энергоэффективность, система управления, дневной свет
ВВЕДЕНИЕ
Энергосбережение становится
приоритетом в архитектуре из-за значительного вклада этой сферы в мировое потребление ресурсов. Здания используют более половины мировой электроэнергии и около трети всей энергии, что делает их одними из наиболее энергозатратных [1]. Прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) указывают на возможное увеличение энергопотребления зданий на 50% к 2050 году, если не будут предприняты меры по повышению энергоэффективности [2]. Освещение играет ключевую роль в этой картине, потребляя 11-21% всей электроэнергии в жилых и коммерческих объектах, особенно в таких странах, как Узбекистан [3]. Это подчеркивает необходимость оптимизации управления освещением для снижения затрат и обеспечения комфорта. Современные технологии предлагают инновационные решения, включая умные системы освещения, которые объединяют светодиодные технологии (LED) с информационно-коммуникационными системами (ИКТ), такими как датчики движения [4]. Эти системы
адаптируются к условиям, таким как наличие людей и уровень естественного освещения, что позволяет экономить электроэнергию и улучшать качество жизни [5]. Автоматизация управления освещением становится важной частью концепции "умных зданий", позволяя динамически настраивать освещение в зависимости от условий окружающей среды [6]. Однако внедрение умных систем освещения сталкивается с проблемами, включая сложность управления множеством источников света, высокие требования к безопасности и экономическим ограничениям. Кроме того, беспроводные технологии могут увеличить задержки передачи данных и снизить качество освещения [7]. Для эффективного управления светодиодными системами в сложных условиях необходим системный подход, включая техническую, экономическую и организационную оптимизацию. Разработанная интеллектуальная система освещения подходит для различных типов зданий, таких как офисы и учебные заведения. Она включает светильники, датчики и распределённую беспроводную сенсорную сеть (WSN). Каждый светильник регулирует уровень освещения с
210
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
учетом данных о дневном свете и присутствии людей. Датчики окружающего освещения, размещённые на светильниках у окон, измеряют уровень естественного света и передают эту информацию через сеть. Для определения присутствия людей используются пассивные инфракрасные (РГО.) датчики и микро-радарные сенсоры, работающие на основе эффекта Доплера. Для повышения точности и надёжности обнаружения был разработан алгоритм, который объединяет данные от обоих типов датчиков. Система организована в виде распределённой WSN, где каждый сенсорный модуль представляет собой отдельный узел сети. При обнаружении присутствия человека система затемняет не только светильник, связанный с активированным сенсором, но и соседние светильники, что позволяет устранить недостаток освещённости в прилегающих зонах. Предлагаемая
интеллектуальная система освещения
обеспечивает значительное сокращение энергопотребления в условиях реальной эксплуатации, повышая как её эффективность, так и комфорт для пользователей. [8].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Архитектура интеллектуальной системы освещения, основанная на микроконтроллере ESP32, представлена на рисунке 1. Как показано на рисунке 1(а), каждый светодиодный светильник включает сенсорный модуль, состоящий из одного или нескольких светодиодных источников. Каждый модуль оборудован двумя датчиками присутствия: РЖ и микроволновым доплеровским датчиком, а также датчиком внешней освещенности, микроконтроллером ESP32. Как показано на рисунке 1(б), питание сенсорного модуля поступает от драйвера светодиодов, а уровень диммирования, который формируется сенсорным модулем, определяется значением сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для аналогового диммирования светодиодов. В сетевой топологии сенсорные модули взаимодействуют по беспроводной сети с использованием возможностей ESP32. На рисунке
1(в) сетевой узел представлен сенсорный модуль с соответствующим ему светодиодом. Все узлы в сети функционируют как маршрутизаторы и ведут свои таблицы соседей с одним переходом, идентифицируя соседей по значению индикатора уровня полученного сигнала (RSSI). Для каждых 500 узлов разворачиваются два шлюза, которые передают данные между сетью ESP32 и серверами. Передаваемые данные включают рабочие состояния светодиодов и команды для непосредственного затемнения группы
светодиодов или отдельного светодиода.
В архитектуре системы драйвер светодиодов играет ключевую роль, и в данном случае используется драйвер постоянного тока с управлением яркостью на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Во-первых, он преобразует входящий переменный ток (АС) с частотой 50 Гц и напряжением 220В в регулируемый выходной постоянный ток (ОС) для питания светодиодов.
LED herniate LED Ллег Scmeg motkit
Рис. 1. (а) беспроводной сенсорный модуль, (б) светодиодный светильник, управляемый сенсорным модулем через светодиодный драйвер, и (в) беспроводная ячеистая сеть, состоящая из сенсорных модулей и шлюза.
Во-вторых, драйвер предоставляет вспомогательное выходное напряжение для питания сенсорного модуля через контакты VCC и GND, как показано на рисунке 1(б). В-третьих, уровень затемнения, заданный стратегией управления освещением в микроконтроллере сенсорного модуля, преобразуется в аналоговый
211
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific Электронный научный журнал "Потомки Аль-
journal of Fergana branch of TATU named after Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени
Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252
Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
сигнал, который подается на вход драйвера для регулировки яркости светодиода.
Целью данной работы является разработка системы управления, которая снижает энергопотребление освещения с помощью, масштабируемой и энергоэффективной сенсорной сети для коммерческого использования. Микроконтроллер ESP32, благодаря низкой стоимости, энергопотреблению и встроенной поддержке Wi-Fi и Bluetooth, оптимально подходит для реализации таких сетей. Его архитектура поддерживает физический уровень, управление доступом к среде, сетевой и прикладной уровни. Реализация выполнена с использованием ESP32, что обеспечивает надежную беспроводную связь и гибкость сети.
Датчики PIR и микроволновые доплеровские датчики часто используются для выявления объектов. PIR-датчик представляет собой электронный сенсор, который обнаруживает инфракрасное излучение, испускаемое объектами в его поле зрения. В данной системе применяется модель PIR HC-SR505, характеристики которой можно найти в Таблице 1. Когда человек входит в область обнаружения, выходное напряжение датчика достигает 5 В, и, когда он покидает эту зону, напряжение автоматически снижается до низкого уровня. Чувствительные цепи находятся в защищенном металлическом корпусе, что минимизирует воздействие внешних факторов, таких как шум, влажность и электромагнитные помехи. Микроволновый доплеровский датчик применяет эффект Доплера для обнаружения движущихся объектов. В системе используется модель MV-030, характеристики которой также указаны в Таблице 1. При обнаружении движения выходной контакт этого датчика переключается с низкого (0 В) на высокий (3,3 В) на срок 2-3 секунды, после чего возвращается в режим ожидания (низкий уровень).
Таб. 1. Технические характеристики датчиков.
Сенсор Характеристики
PIR sensor (HC-SR505) Рабочий диапазон температур: -20°С до +70°С Максимальный угол обнаружения: 100° Рабочая длина волны: 8-14 мкм
Microwave Doppler sensor (MD-030) Рабочий диапазон температур: -20°С до +60°С Максимальный угол обнаружения: 110° Дистанция обнаружения: до 6 метров
Illuminance sensor (MAX44009) Рабочий диапазон температур: -40°С до +125°С Диапазон измерения освещенности: 0188,000 лк
Для сокращения энергопотребления искусственное освещение в помещении может быть уменьшено за счет использования естественного света. Уровень дневного освещения определяется с помощью датчиков освещенности, которые измеряют интенсивность света во внешней среде и передают данные на микроконтроллер. Одним из часто используемых типов таких датчиков является фотодиод, чувствительный к солнечному свету. Например, датчик освещенности MAX44009 преобразует выходное напряжение в 16-разрядные цифровые данные, отражающие уровень освещенности. Такие датчики встроены в сенсорные модули, рядом с которыми размещены светодиоды, устанавливаемые вблизи окон. Значение естественной освещенности в момент времени t, измеренное датчиком m, закрепленным за светодиодом n, можно описать следующим образом:
d(t) =
( ym(0, if LED n is switched off and t is in daytime lym(t), — u^ , if LED n is switched on and t is in daytime, (1)
- где ym(t) обозначает выходной сигнал датчика освещенности m в момент времени t, и обозначает значение освещенности светодиода с уровнем затемнения L. Вклад светильников в освещенность датчика света упрощается как что указывает на то, что учитывается только вклад светодиода n, совмещенного с датчиком освещенности m. Причина в том, что в течение дня
212
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
количество естественного света, поступающего из окна, будет относительно больше, чем количество света, исходящего от светодиодов. Ночью сенсорный модуль, содержащий датчик освещенности т, затемняет светодиод п на уровне L, при выключенных других светильниках, и собирает измеренное значение освещенности на датчике освещенности т. Поскольку вклады освещенности, обусловленные светильниками и дневным светом, являются аддитивными [15], можно получить уравнение (1). Для повышения точности обнаружения присутствия разработан метод объединения данных, собранных РЖ-датчиком и микроволновым сенсором. На рисунке 2 представлена основная блок-схема этого метода.
< /<70 >
Y I
PIR or Microwave sensor interrupt.
Output "upoccupied" ;
Microwave sensor in sleep
__Timer updates
-' _
Рис. 2. Блок-схема метода слияния данных с пассивными инфракрасными (ПИК) и микроволновыми датчиками.
Работа системы начинается с того, что микроволновый сенсор находится в выключенном состоянии, а PIR-датчик пассивно отслеживает
инфракрасное излучение. При попадании человека в зону действия РЖ-датчик генерирует выходной сигнал высокого уровня, активируя микроволновый сенсор и одновременно запуская таймер. Пока микроволновый сенсор фиксирует присутствие, таймер сбрасывается и начинает отсчет заново. Если таймер достигает порогового значения Т0, считается, что зона не занята, после чего микроволновый сенсор переводится в режим ожидания.
После пробуждения микроволнового сенсора итоговый результат обнаружения определяется его выходным сигналом. Таким образом, объединение данных двух сенсоров позволяет компенсировать недостатки каждого из них, повышая общую точность и надежность системы.
Система управления освещением с разомкнутым контуром, которая отличается энергоэффективностью и простотой
проектирования. Ключевым элементом системы является база правил, основанная на логике "если-то". На выходе правил задается уровень затемнения светодиодного светильника п в момент времени ^ обозначаемый как Оп(^. Входными параметрами для правил являются: состояние занятости рп0), определяемое сенсорным модулем, подключенным к светодиоду п; расписание s(t); местоположение г(п); расстояние между светодиодом п и окнами 1(п); а также уровень дневного освещения d(t). Управляющее правило может быть выражено следующей формулой:
ОпО) = /(р„(0,5(0,г(п),/(п),ОД). (2)
В уравнении (2) пользователь устанавливает расписание, которое определяет виды деятельности на разные временные отрезки. Местоположение светильника указывает на тип помещения, например, это может быть конференц-зал, кабинет руководителя или учебное пространство. Если светильник установлен в зоне, где осуществляется сбор дневного света, расстояние между ним и окнами определяет типы под зоны для сбора света, и это расстояние заменяется на соответствующий тип под зоны.
213
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Параметры pn(t) и d(t) определяются с помощью датчиков присутствия и освещенности, расположенных вблизи светильника п. Поскольку освещенность в зоне светодиода п зависит от светового выхода соседних светодиодов, контроллер светодиода п обращается за помощью к своим соседям, отправляя запрос. Этот запрос включает два типа данных: адрес передатчика An и количество переадресаций Рассмотрим
контроллер беспроводного сенсорного модуля т, представленный на рисунке 3. После получения запроса от светодиода п контроллер проверяет адрес An на совпадение с записями в своей соседней таблице, чтобы определить занятость т. Если совпадение найдено, что указывает на то, что т является непосредственным соседом п, pm(t) устанавливается в 1, а уровень затемнения Om(t) рассчитывается по уравнению (2). Значение pm(t) = 1 означает, что зона т занята, а pm(t) = 0 — что она свободна. Затем контроллер т решает, следует ли продолжать пересылку запроса своим соседям. Если таймер ^ - 1 > 0, это указывает на необходимость помощи от соседей т для светодиода п. В этом случае модуль т отправляет новый запрос с адресом Am и счетчиком переадресации ^ - 1. Как только таймер т запускается, pm(To) устанавливается в 0, а Om(To) сбрасываются до значений незанятого состояния. Контроллер п продолжает отправлять запросы, чтобы уведомить другие узлы о своем занятости.
Внутреннее пространство можно разделить на несколько зон, каждая из которых требует различных условий освещения. Например, на рисунке 4 представлено учебное помещение в ФФ ТУИТ с тремя типами зон: зоны А, В и С. Зона А вход в аудиторию, а зоны В и С — сидячие места учащихся. Зона В расположена около окон, что обеспечивает большой потенциал для сбора дневного света. Напротив, в зонах А и С отсутствует естественное освещение, и сбор дневного света в этих зонах невозможен.
Рис. 3. Блок-схема управления освещением с помощью соседей узла т.
Более того, движение тела в зоне А обычно велико, что позволяет легко определить присутствие. Однако в зонах В и С часто происходят небольшие движения. Схема расположения датчиков приведена в таблице 2. При обнаружении людей и приглушении яркости соответствующего светодиода в соответствии с правилами также будут включены соседние светодиоды, как показано на рисунке 4.
Таб. 2. Расположение датчиков.
Зона Тип сенсора
A PIR - датчик
B Датчик освещенности (возле окон) PIR - датчик и микроволновый датчик
C PIR - датчик и микроволновый датчик
В зонах А и С, где сбор дневного света невозможен, при обнаружении присутствия устанавливается максимальное затемнение соответствующего светодиода и его соседей. В зоне В правила управления такие же, как для зон А и С на этапах 1, 6 (слабое дневное освещение) и этапе 4 (10% затемнение для обеденного перерыва). На этапах 2, 3 и 5 реализуется использование дневного света. Зона В разделена на две под зоны - Первичную зону (PZ) у окна и Вторичную зону (SZ) рядом с PZ. При обнаружении присутствия, уровень затемнения (^ в каждой под зоной z £ {PZ, SZ} увеличивается на 40% до максимума 100%.
214
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Рис. 4. Планировка учебного помещения в ФФ ТУИТ.
Уровень затемнения в PZ, ОП2(£), зависит от освещенности дневным светом.
Г 30%, /я > 180 /х, С^ф = { 70%, 125 /х < /я < 180 /х, (3) 1^100%, /я <125 /х, - где - представляет значение
освещенности дневным светом, измеренное датчиками рядом с окнами в зоне В. Это значение передается всем сенсорным модулям в зоне В через беспроводную сеть. Если статус занятости -незанятый, значение Ор2 в зоне В устанавливается на 10%, если не получены обновления от соседей.
Таб. 3. Правила управления освещением.
Этап Время Правило
1. Вне службы С 21:00 p.m. до 6:00 a.m. (1) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 1, тогда Оп(1) = 100%. (2) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 0, тогда Оп(1) = 0%.
2. Перед работой С 6:00 a.m. до 9:00 a.m. (1) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 1, тогда Оп(1) = 100%. (2) Для светильника п в
3. Период активности
4. Перерыв на обед
5. Период активности
6. Работа сверхурочно
С 9 a.m. до 12:00 a.m.
С 12:00 a.m. до 13:00 p.m.
С 13:00 p.m. до 17:30 p.m.
С 17:30 p.m. до 21:00 p.m.
Зонах А, В и С, если рп(1;) = 0, тогда Оп(1) = 0%. (3) В зоне В осуществляется сбор дневного света
(1) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 1, тогда Опф = 100%.
(2) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 0, тогда Опф = 10%.
(3) В зоне В осуществляется сбор дневного света
(1) 10%.
on(t) =
(1) Для
светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 1, тогда Опф = 100%.
(2) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 0, тогда Опф = 10%.
(3) В зоне В осуществляется сбор дневного света
(1) Для
светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 1, тогда Опф = 100%.
(2) Для светильника п в Зонах А, В и С, если рп(1;) = 0, тогда Оп(1) = 0%.
Натурные измерения проводятся в два этапа: 1) Измерение и освещенности в течение
215
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific Электронный научный журнал "Потомки Аль-
journal of Fergana branch of TATU named after Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени
Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252
Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
дня при выключенном освещении. 2) Измерение освещенности столов при разных уровнях затемнения соответствующего и соседних светильников. Сначала определяются PZ и SZ, затем рассчитываются параметры уравнения (3).
Первая Вторая
30Ha(PZ) зона (SZ)
Рис. 5. Подразделение зоны В расстоянию до окна.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для тестирования был выбран сценарий: учебное помещение. Этот сценарий предусматривал испытание в учебном помещении в ФФ ТУИТ, чтобы проверить функциональность системы и оценить её адаптацию к условиям окружающей среды.
Тестирование предлагаемой
интеллектуальной системы освещения
проводилась в учебном заведении ФФ ТУИТ площадью 2700 м2, расположенном на третьем этаже здания в городе Фергана, Узбекистан. Освещённость на рабочей поверхности должна была составлять 300-500 лк. Все светильники в учебном помещении были светодиодными, их типы, мощность и количество указаны в таблице 4. В общей сложности для зон А, В и С использовались 10 линейных светильника. Датчик внешней освещённости был установлен в светильнике, ближайшем к окнам. Управляющие правила для системы освещения определялись уравнением (3).
На рисунке 6 представлены зоны А, В и С, задействованные в стратегии управления освещением. Зона А включала зону входа и выхода, расположенную в нижнем правом углу. Парты
находились в зонах В и С. Для освещения этих зон использовались 10 линейных.
Рис. 6. Разделение самого большого учебного помещения для интеллектуального управления освещением: Зоны А, В и С в стратегии управления.
Тип Мощность (Вт) Количество светильников
Линейный свет 40 10
Эффективность использования дневного света зависела от погодных условий. На рисунке 7(а) показано распределение уровней затемнения светильников в 10:00 утра в течение двух дней с разными погодными условиями: ясным небом и пасмурной погодой. При ясной погоде большее количество светильников работало с низким уровнем затемнения по сравнению с пасмурными условиями.
■ ясная погода ■ Пасмурная погода • Пасмурно 9 Ясно
Уровень затемнения Время
(а) (Ь)
Рис. 7. Влияние погодных условий на использование дневного света: (а) распределение уровней затемнения в 10:00 утра при ясном и пасмурном небе и (б) значения датчиков освещенности в разное время.
216
по
Таб. 4. Характеристики светильников в учебном помещении в ФФ ТУИТ.
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Согласно рисунку 7(б), в более чем 80% рабочего времени (с 9:00 до 16:00) уровень освещенности, зарегистрированный датчиками, превышал 300 лк в ясную погоду и 200 лк в пасмурную. В таких условиях светильники затемнялись на 30% в первичной зоне (PZ) и на 70% во вторичной зоне (SZ). В оставшееся время уровень освещенности составлял от 100 до 200 лк в пасмурные дни и менее 100 лк в утренние или вечерние часы. Несмотря на хорошие условия дневного света при ясной погоде, многие светильники оставались полностью включенными (100% яркости), как показано на рисунке 7(а). Потребляемая мощность предлагаемой интеллектуальной системы освещения была проанализирована и сопоставлена с традиционной системой, где освещение включалось вручную в начале рабочего дня, когда первый контингент заходил в помещение, и выключалось в конце дня, когда последний контингент покидал здание. На рисунке 8 представлено потребление электроэнергии за один день в период с 8:00 до 22:00. После 18:30 начался период сверхурочной работы. В результате, с 9:00 до 18:00 потребление энергии в предлагаемой системе оставалось относительно стабильным. В среднем предложенная система позволила сократить потребление электроэнергии на 36% по сравнению с обычной системой освещения.
Рис. 8. Потребление электроэнергии на освещение в рабочее и сверхурочное время.
ОБСУЖДЕНИЯ
В данном исследовании разработана интеллектуальная система управления
освещением, предназначенная для регулирования уровня освещённости в помещениях. Основу системы составляют распределённые
беспроводные сенсорные сети, которые включают модули с датчиками присутствия и датчиками внешней освещённости. Эффективность предложенной системы была проверена в условиях учебного помещения. Экспериментальные результаты подтвердили её высокую надёжность в реальных условиях эксплуатации. Анализ показал, что на энергоэффективность системы в учебном помещении влияют такие факторы, как погодные условия, целевые уровни освещённости, планировка рабочего пространства и количество сотрудников. Экономия электроэнергии составила около 36%, что несколько ниже показателя в 40%, указанного в [8] при аналогичных условиях (уровень освещённости 300-500 лк). Это отклонение связано с двумя основными факторами. Во-первых, неблагоприятные условия
естественного освещения: 45% рабочих мест находились вдали от окон, что ограничивало доступ дневного света. Во-вторых, использовался контроллер с открытым контуром, работающий на основе заданной базы правил. Преимуществами такого контроллера являются низкая вычислительная сложность, быстрая реакция на изменения окружающей среды и снижение стоимости производства и обслуживания. Однако его основной недостаток заключается в отсутствии оптимизации энергопотребления. В рамках исследования также проводилась
экспериментальная оценка точности обнаружения присутствия. Юнтунен и со авт. [7] предложили аналогичную стратегию управления освещением для уличной инфраструктуры, обеспечив экономию энергии в диапазоне 60-77% по сравнению с полным уровнем освещённости в тёмное время суток. Однако их результаты основывались на моделировании с использованием данных о присутствии и времени восхода и захода
217
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific Электронный научный журнал "Потомки Аль-
journal of Fergana branch of TATU named after Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени
Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252
Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
солнца из метеорологических баз данных. В отличие от этого, в настоящем исследовании проводились полевые эксперименты с измерением энергопотребления в реальных условиях. При проектировании системы освещения важно учитывать не только энергоэффективность, но и пользовательский опыт, включая безопасность и комфорт. В целом, экспериментальные результаты подтверждают, что предлагаемая
интеллектуальная система освещения эффективно управляет освещением на основе данных о присутствии и уровне дневного света, снижая энергопотребление в реальных условиях.
ВЫВОДЫ
Разработанная система умного управления освещением продемонстрировала свою эффективность в нескольких ключевых аспектах, включая энергоэффективность, долговечность компонентов и улучшенное удобство эксплуатации. Внедрение передовых технологий, таких как датчики движения и освещенности, позволило существенно снизить
энергопотребление, обеспечив автоматическую настройку освещенности в зависимости от текущих условий. Это не только помогает значительно экономить электроэнергию, но и способствует продлению срока службы оборудования, так как система регулирует интенсивность освещения в реальном времени, избегая перегрузок и ненужной работы осветительных приборов. Одним из главных достоинств системы является ее способность адаптироваться к потребностям пользователей, обеспечивая высокий уровень комфорта. Кроме того, интеграция с другими умными устройствами позволяет пользователям управлять освещением в рамках более широкой системы умного дома, повышая степень автоматизации и удобства. Однако, несмотря на достигнутые результаты, система имеет значительный потенциал для дальнейшего развития. В первую очередь, это касается улучшения качества сенсоров и внедрения технологий распознавания объектов. Системы, способные точно определять количество людей в
комнате или распознавать тип деятельности (например, чтение, работа, отдых), смогут более точно настраивать освещение, оптимизируя его под конкретные условия. Это может привести к дополнительной экономии энергии и улучшению качества освещения, адаптированного под нужды пользователей. Кроме того, для повышения автономности системы необходимо внедрение более совершенных алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта. Система, которая будет самостоятельно анализировать поведение пользователей и изменяющиеся внешние условия, такие как время суток или изменения в освещенности, сможет предсказывать потребности в освещении и автоматически регулировать его, минимизирует вмешательство человека. Это откроет новые возможности для улучшения пользовательского опыта, сделав систему более интуитивной и независимой от активных действий владельцев. ЛИТЕРАТУРА
1. Sun, K.; Zhao, Q.; Zou, J. A review of building occupancy measurement systems. Energy Build. 2020, 216, 109965. [CrossRef]
2. Sun, F.; Yu, J. Indoor intelligent lighting control method based on distributed multiagent framework. Optik 2020, 213, 164816. [CrossRef]
3. Han, K.H.; Zhang, J. Energy-saving building system integration with a smart and low-cost sensing/control network for sustainable and healthy living environments: Demonstration case study. Energy Build. 2020, 214, 109861. [CrossRef]
4. Cho, Y.; Seo, J.; Lee, H.; Choi, S.; Choi, A.; Sung, M.; Hur, Y. Platform design for lifelog-based smart lighting control. Build. Environ. 2020, 185, 107267. [CrossRef]
5. Seyedolhosseini, A.; Masoumi, N.; Modarressi, M.; Karimian, N. Daylight adaptive smart indoor lighting control method using artificial neural networks. J. Build. Eng. 2020, 29, 101141. [CrossRef]
218
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2024-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2024 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2024 год
6. Zou, H.; Zhou, Y.; Jiang, H.; Chien, S.-C.; Xie, L.; Spanos, C.J. WinLight: A WiFi-based occupancy-driven lighting control system for smart building. Energy Build. 2018, 158, 924938. [CrossRef]
7. Juntunen, E.; Sarjanoja, E.-M.; Eskeli, J.; Pihlajaniemi, H.; Osterlund, T. Smart and dynamic route lighting control based on movement tracking. Build. Environ. 2018, 142, 472-483. [CrossRef]
8. Kandasamy, N.K.; Karunagaran, G.; Spanos, C.; Tseng, K.J.; Soong, B.-H. Smart lighting system using ANN-IMC for personalized lighting control and daylight harvesting. Build. Environ. 2018, 139, 170-180. [CrossRef]
219
