1.1 定义
l
物联网系统中灯控系统是对校园灯光的一系列智能化管控；
l
灯控系统采用以有线网络为基础，以 zigbee 无线通讯为核心的网络
架构；
l 灯控系统所配套到的灯具，均符合国家相关亮度标准，适应不同现
场环境下的照度需求；
l 灯控系统所涉及的管控范围，可支持校园全覆盖，包括教室灯、走
廊灯、办公室灯、楼道灯、校园路灯等，平台高度集成控制，实现校园
的智能照明；
2 系统总体描述
2.1 项目背景
为响应我国对青少年的视力保护倡导，我校在对教室的检查中，发现目前较
大多数的室内灯光主要存在两点问题：1.灯光亮度固定，受外界光线影响，室内
学习亮度变化落差大，亮度过强或过弱的情况存在，导致学生眼睛易疲劳，引发
假性近视，甚至近视、弱视等情况；2.教室灯光经常出现漏关等情况，导致学校
多余的电费支出；3、当室内环境光照强度达到日间照明时室内灯光依然开着，
浪费现有资源；鉴于存在的这些情况，我们总结出：需要提供一种能够将教室亮
度保持一致的产品思路，实时对教室亮度进行反馈和控制，一方面可以使教室亮
度趋向于标准教室的照度，一方面也可以减少灯具的输出功率，达到降耗节能的
目的；其次是从不同的学习环境设置不同的照明亮度，以达到保护眼睛的目的。
2.2 建设目标
实现系统的标准功能，包括通过管理系统实现远程开关某一教室或某一功能
区域的灯具；定时开启或关闭某一教室或某一功能区域的灯具；设置不同教室、
不同功能区域标准亮度，系统自动打开灯光维持教室处于标准亮度；系统建设信
息化监控大屏，可以实时观察到系统检测到的校园灯具用电功耗，以及开关灯状
态；
2.3 建设内容与规划
2.3.1 总体网络技术方案规划
管理系统采用 BS 结构的方式，软件系统需要对全区域的所有控制器进行在
线检测，监控开关状态；因此，需要系统服务器和这些设备采用“软链接”方式，
再需要结合心跳包数据进行实时状态确认和网络状态确认；
整体系统基于 TCP/IP 协议进行通讯，以计算机作为控制终端；
另外，下层控制器通过 zigbee 协议形成沟通层，由网关设备统一向上向下
作数据中转作用；
2.3.2 建设内容
为加强学校教室灯光的规范化管理及安全性管理，保护学生视力健康，为学
校提供安全、高效、健康、节能的目的，实现智慧校园改造；
本次建设计划进行学校的 13 个教室进行增补改造，建设内容包括软硬件两
大部分，其中
硬件建设内容：
1. 采用优于市场标准化的要求，重新铺设灯具线路，优化灯具位置和高度；
2. 系统灯具选用符合国家标准的灯具，光源采用标准色温；
软件建设内容：
1. 支持远程和本地控制开关灯具；
2. 支持定时开关某一教室或某一功能区的灯；
3. 调节灯具输出，维持教室亮度值为健康亮度；
4. 故障灯具自动检测上报；
5. 数据信息大屏的展示（可选功能）；
2.3.3. 总体架构设计
在分析了对本次项目提出的建设需求后，充分考虑系统功能全面性及技术实
现上的先进行、可扩展性等要求，整个学校智慧照明系统建设项目的总体架构模
型规划如下：
2.3.4. 系统功能结构
本次工程应用系统的总体功能架构如下图：
2.4 通讯接口
系统通过 TCP/IP 协议，以 web 的方式进行访问。
2.5 性能需求
2.5.1 系统可靠性
包括软硬件可靠性，根据校园照明特点，平均无故障时间（MTBF）不低于
15000h。
2.5.2 时间特性
单设备控制的响应时间不超过 5s，多设备控制的响应时间不超过 10 秒。
2.5.3 系统可维护性
遵循软件工程的建设规律，提供关于本项目的明确的软件质量目标体系和审
查制度，采用系统结构化、模块化设计方法，遵循《GB 8566－1995 信息技术软
件生存期过程》、《GB 8567－88 计算机软件产品开发文件编程指南》、《GB/T
12505－90 计算机软件配置管理计划规范》、《GB/T 16680-1996 软件文档管理指
南》、《智能建筑设计标准》(GB/T50314-2000)、《民用建筑电气设计规范》
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(JGJ/16-92)、《工业企业通信接地设计规范》(GBJ79-1985)、《电气装置安装工程电
缆线路施工及验收规范》
(GB50168-92)、《安全防范工程程序与要求》
(GA/T75-94)、
《安全防范系统适用图形符号》(GA/74-94)、《低压配电设计规范》(GB50054-95)、
《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2904)，另外在用户参与下的系统测试过程，
提供详细的、完整的、清晰的、规范的各个阶段的最终软件文档。
2.5.4 系统易用性
图形化的、友好的人机界面，直观易懂，简洁方便，便于操作者快速使用。
2.5.5 系统安全性
操作安全：要求管理系统能对不同类型的用户实现权限控制，仅有权限用户
方可进行门体查看和操作，确保门体管理的安全；
数据安全：要求系统能提供优秀的恢复机制，数据可自动备份；
2.5.6 系统容错性
错误提示：系统对灯具的开关过程进行实时检查，当出现错误时，显示错误
的信息提示用户；
错误恢复：当操作人员依据错误信息将故障排除后，可自动恢复到工作状态；
3 技术设计方案
3.1 教室灯具安装规范及标准
国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布了《中小学校普通
教室照明设计安装卫生要求》（GB/T36876-2018），在这项新标准中对中小学校普
通教室桌面、黑板面照度和设计安装卫生要求都进行了详细规定：
1 教室桌面、黑板面照度卫生要求
维持平均照度不低于 300lx，照度均匀度不低于 0.7；黑板面维持平均照度
不低于 500lx，照度均匀度不低于 0.8。2 教室照明的设计安装卫生要求
1.灯具
宜采用悬挂式格栅灯具，灯具效率不应低于 60%；
统一眩光值（UGR）不宜大于 19。
2.光源
宜采用色温 3300K~5300K，显色指数不低于 80，小于 26mm 细管径直管形稀
土三基色荧光灯。宜按光源设计寿命统一更换。
3.调光系统
调光系统分多个回路控制。教室照明灯具第一横排的每个灯具应由单独回路
开关控制，在使用多媒体教学时，可手动或自动分别调节照明照度。其余每一纵
列灯具由独立回路开关控制。
3.2 系统组成
3.2.1 服务器
服务器是整个系统的核心运行组件，灯控系统的正常运行，需要服务器的全
力支撑，可以根据用户需求提供云服务器或者本地服务器；服务器优缺点：
3.2.2 网关
网关是负责下级通讯层与网络层的数据交换工作，
即下层的工作站设备将自身的数据进行主动上传，在网
关内进行数据整理，然后统一上传至服务器；网关与下
层设备采用最新物联网 zigbee 协议进行数据交换，网关
与上层服务器通过成熟稳定的TCP/IP协议进行网络交互；
3.2.3 灯光控制器
灯光控制器是属于系统中的执行部件，主
要接收服务器下发指令，进行调光或开关操作。
灯光控制器通过输出 0-10V 的控制电压，传输
给驱动板，由驱动板驱动灯具进行正常工作；
灯光控制器不具备网络功能，与网关进行 zigbee 通讯，接收服务器指令；
3.2.4 亮度传感器
亮度传感器在系统中属于感知部件，起到完
成现场亮度值变成数字量的过程；亮度传感器的
安装需要有严格的要求，避免安装在室内亮度不
均匀的场所；
3.2.5 控制面板
控制面板在系统中作为本地控制用，控制面板的按键
定义支持在系统中自定义按键执行动作，控制面板默认需
要满足几种模式：上课、下课、投影、自习、休息、恒照
度；该 6 种模式基本包括了教学过程中的所有场景；
3.2.6 室内灯具
室内灯具是系统中的重要配件，灯光在保证室内亮度的同时，还需要保证灯光参
数值为健康值，且符合国家相应标准；
3.3 系统功能
l 1.灯光信息 PC 端针对性呈现，可用于大屏显示；
l 2.可支持对所有教室灯进行分类标记，按组别或者区域进行分类显示；
l 3.可对单个灯进行个性化控制，也可支持对多个灯进行定时开关控制；
l 4.设备具备心跳检测功能，设备不受控时，系统可及时在系统内显示；
l 5.系统支持直接搜索出网内网关，自动进行网关下子设备的搜索和绑定
以及更名；
l 6.系统实时显示教室内的空间亮度值（显示单位：lm）；
l 7.系统实时显示灯具的开关状态；
l 8.系统支持对每个灯组设置默认输出值；
l 9.系统支持对每个教室灯组设置亮度保持值，通过预设亮度保持值，教
室自动维持该亮度不变，如果教室环境亮度变化，灯光自动微调保持；
l 10.系统支持定时开关灯；
l 11. 支持多功能场景下面板控制设置，上课，下课，休息，投影等灯光
场景模式以及该模式下的具体亮度（1%~100%）；
l 12.支持功耗计算，生成功耗报表；
l 13.可对场景及单灯进行个性化命名；
l 14.双向通讯机制，状态实时获取；
l 15.整个通信过程采用 AES 加密；
l 16.账号分级管理（Admin 账号能分配管理权限）；
l 17.支持电量统计，故障报警功能。
l 18.支持多功能触控面板以及传感器控制。
l 19.同一局域网下支持多个网关，每个网关可以支持 100 个设备；
l 20.支持固件在线升级（OTA）。
l 21.云端集中管理控制。
l 22.支持手机 app 控制；系统支持定时开关灯，定时时间按年月日时分进
行设置；
3.4 系统预计成效
3.4.1 调节室内光线强度，杜绝学生眼睛疲劳
系统通过预设的亮度值，可以将室内的统一亮度保持到国家标准水平，并且
按照不同场合所需要的照度值进行自动调节，确保室内灯光为标准亮度，此举可
降低每个教室内 98%的学生的用眼疲劳。
3.4.2 降低室内灯具功率，减少学校电力支出
系统在拥有外部光源补充的情况下，灯具自身的功率可以自动向下调节，根
据外部光源补充亮度，每台灯具自身的能耗约下降 20%,，预计 60 间教室，每个 教室 12 盏灯，实际总耗电量下降 20%，预计节省电力 27331.2 度电；
3.4.3 运用智能灯光系统，实现领先智慧校园
系统本身是基于高新技术进行研发的一套系统，具有高度智能化以及高度控
制化的特点，属于新兴的技术产品，经过长时间的运行测试，已经可以灵活运用
在校园中进行管理了，这样的智慧产品，对学校的科技化发展和科技化管理工作。