Control of wireless-networked lighting in
open-plan offices
This paper presents an energy-efficient lighting control system for open-plan offices with two novel features: A versatile lsquo;plug-and-playrsquo; wireless-networked sensing and actuation system, and a control method incorporating multiple management strategies to provide occupant-specific lighting. Workstation-based wireless photosensors are employed to measure task illuminance, and individual addressability of wireless-enabled dimmable luminaires increases the freedom of the lighting system to fulfil various lighting requirements. Daylight harvesting,occupancy control and light level tuning strategies are formulated into an optimisation problem that generates light outputs for each luminaire to produce the desired lighting at each workstation with minimal energy usage. A pilot study of the wireless-networked lighting system implemented in a small open-plan office has shown more than 60% energy savings potential compared to conventional practice without any control.
1.Introduction
Grid-based electric lighting consumes 19% of total electricity production worldwide, and offices account for 19% of the lighting energy consumed by all types of commercial buildings.1 Forty to fifty percent of energy savings can potentially be generated with a combination of energy-efficient lighting management strategies.In order to realise the goal of net-zero energy buildings in the next 15- to 20-year timeframe as set out by many countries, it is crucial for lighting systems to achieve or even exceed the expected energy savings. Advanced lighting components and systems that are capable of implementing energy-efficient lighting control strategies have existed for more than a decade but have not been able to make significant market penetration. Exorbitant initial costs,including unit price, installation, rewiring and commissioning, are the primary hurdles, especially for legacy buildings.Unsatisfactory performance due to improper commissioning and neglected retro-commissioning has often led to occupant dissatisfaction, eventually rendering the systems obsolete. As a result, most buildings have been missing the opportunity to generate energy savings from efficient lighting control. Wireless technology has been identified as a promising wiring and communication alter native for building systems.Reduced cost and complexity as well as increased flexibility on wiring are the primary advantages of wireless-enabled systems over their wired counterpart. The emerging wireless sensor and actuator network (WSAN) technology further enhances the versatility of wireless sensing and actuation entities, which can self-configure into a fully connected communication network. When integrated with lighting control systems, the WSAN technology can potentially overcome many practical challenges encountered by wired lighting systems and bring energy savings into reality. This paper describes a lighting system for open-plan offices with two major novelties: (1) demonstration of a lsquo;plug-and-playrsquo; system of wireless lighting sensors and actuators, an economical solution for implementing lighting controls in retrofitting projects; (2) a control framework capable of working with any lighting configuration to provide occupant-specific lighting in the most efficient manner. Wireless photo sensors are deployed as workstation-based light sensing devices, and individually addressable and dimmable wireless luminaires are utilised to deliver task lighting to the office space. For a given occupancy status and occupantsrsquo; lighting preferences, the control technique actuates each luminaire at a different level to complement available daylight and results in lighting that satisfies each occupantrsquo;s need while consuming the least amount of energy. An implementation of the wireless-networked lighting control system in a small open-plan office has demonstrated more than 60% energy savings and high levels of occupant satisfaction. The rest of this paper is organised as follows. Sections 2 and 3 discuss energy-efficient lighting control strategies and WSAN technologies, respectively. Formulation of the lighting control problem is presented in Section 4. The modelling approach for office lighting is presented in Section 5 followed by the controller design in Section 6. Section 7 shows an implementation and the results of testing the lighting control system.
2.Energy-efficient lighting control strategies
Lighting consumes more than 2000 terawatthours of electricity globally, which corresponds to approximately 1800 million metric tons of carbon dioxide emissions annually; and 48% of lighting electricity is attributed to the commercial sector.3 In the US, for example, lighting alone accounts for 27–43% of the energy usage in office buildings depending on the climate and often contributes the largest proportion of energy consumption among all electrical systems.9 Being the single largest energy consumer in the commercial sector, office buildings therefore have a major role to play in increasing energy efficiency and reducing carbon footprint.
Various lighting control technologies have been developed for increased energy efficiency, including daylight harvesting, occupancy sensing, light level tuning, etc. Daylight harvesting is the most energy-efficient control strategy for offices in perimeter zones where significant daylight is available. Research has also supported this strategy by showing that day lighting can indeed displace electric lighting from the occupantrsquo;s perspective.10 A lighting zone typically uses at most two reference points for responding to daylight, and electric lights in the same zone are actuated uniformly in accordance. Occupancy sensing dims or turns off the lights in a zone after the space becomes vacant for a certain amount of time and is the most pervasive control strat
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开放式办公室中无线网络照明的控制
摘 要
本文提出了一种开放式节能照明控制系统，它具有多功能的“即插即用”无线网络感应和驱动系统，以及结合了多种管理策略的控制方法，以提供特定于职员的照明。基于工作站的无线光电传感器用于测量任务的照度，而启用无线功能的可调光灯具，其单独寻址能力增加了照明系统满足各种照明要求的自由度。日光收集，占用控制和光照水平调整策略被制定为一个优化问题，该优化问题可为每个照明设备生成光输出，从而以最小的能耗在每个工作站上产生所需的照明。在小型开放式办公室中实施的无线网络照明系统的一项初步研究显示，与没有任何控制措施的传统做法相比，节能潜力超过60％。
关键词 无线网络；智能办公；节能照明
第1章 概述
基于网格的电力照明消耗了全球总电力生产的19％，而办公室则占据了所有类型的商业建筑所消耗的照明能源的19％。1结合使用以下各项可以节省40％到50％的能源节能照明管理策略为了实现许多国家提出的在未来15至20年内实现零能耗建筑的目标，至关重要的是照明系统要达到甚至超过预期的节能量。能够实施节能照明控制策略的先进照明组件和系统已经存在了十多年，但未能在市场上取得重大突破。初期成本过高，包括单价，安装，重新布线和调试在内的主障碍，尤其是对于老旧建筑，由于调试不当和疏于复试的改建工作而导致的性能不佳常常导致居住者不满意，最终导致系统已过时。因此，大多数建筑物都没有机会通过有效的照明控制来节省能源。
无线技术已被认为是楼宇系统的有希望的布线和通信替代技术。降低成本和复杂性以及增加布线灵活性是启用无线的系统比其有线同类产品的主要优势。新兴的无线传感器和执行器网络（WSAN）技术进一步增强了无线传感和执行实体的多功能性，这些实体可以自我配置为完全连接的通信网络。与照明控制系统集成后，WSAN技术可以潜在地克服许多有线灯控的实际问题，从而实现节能。
本文介绍了开放式办公室的照明系统，它具有两个主要的新颖性：
（1）演示无线照明传感器和执行器的“即插即用”系统，这是在改造项目中实施照明控制的经济解决方案；（2）一个控制框架，能够与任何照明配置一起使用，以最有效的方式提供特定于职员的照明。无线光电传感器被部署为基于工作站的光感测设备，并且可单独寻址和可调光的无线照明器被用于将任务照明传递到办公室。对于给定的居住状态和乘客的照明偏好，控制技术以不同的水平启动每个照明器，以补充可用的日光，并产生满足每个乘客需求的照明，同时消耗最少的能量。在一个小型开放式办公室中实施无线网络照明控制系统已显示出超过60％的节能效果和较高的职员满意度。
本文的其余部分如下。第2节和第3节讨论节能照明控制策略和WSAN技术。制定照明控制问题在第四节。办公室的建模方法照明见第5节第六节控制器的设计。第7节显示的实现和结果测试照明控制系统。
第2章 节能照明控制策略
照明在全球耗电量超过2000太瓦小时，相当于每年约18亿公吨的二氧化碳排放；而48％的照明电力来自美国。例如，根据气候的不同，仅照明一项就占办公大楼能耗的27％至43％，并且经常在所有电气系统中占最大的能耗比重。 办公楼是商业领域中最大的能源消费国，因此在提高能源效率和减少碳足迹方面可以发挥重要作用。目前已经开发了各种照明控制技术来提高能源效率，包括日光收集，占用感测，亮度调节等。对于有大量日光可用的外围区域中的办公室，日光收集是最节能的控制策略。研究还通过从职员的角度显示日光确实可以代替电照明来支持该策略。10照明区域通常最多使用两个参考点来响应日光，并且同一区域中的电灯会发出光。统一按照。在空间闲置一定时间后，占用感测会调暗或关闭区域中的灯光，这是当今办公室中最普遍使用的控制策略。根据职员的照明偏好，调光等级可以通过将电照明等级降低到建议的标准以下来节省能源。这种技术在私人办公室中特别有效，但在开放式办公室中却没有，因为没有一个单一的照明水平可以满足所有个人的需求。适当的照明能量节省估计可达50％。控制策略的组合得到有效实施。
如上所述，每种照明控制策略都有一定的局限性，并且在当前实践中大多数是在区域级别实施的。我们的研究在工作站级别结合了上述照明控制策略，利用无线网络传感器和执行器，在开放式办公室创造更个性化的照明环境，进一步提高节能。
第3章 无线传感器网络
无线传感器网络（WSN）技术大约是十年前出现的一种未来主义网状网络，其中包括具有计算和无线通信功能的微型传感单元。无线传感器节点可以大规模部署到物理线路上的通信可能昂贵或昂贵的环境中。甚至被禁止，并自组织成通信网络以进行监视。WSN技术已被认为是高级建筑操作系统的有希望的解决方案，可避免昂贵的安装和布线，尤其是在传统建筑中。
最近，研究人员已经将执行器与相同的无线技术集成在一起，以实现WSAN。除了被动地监视环境外，WSAN还与物理世界进行主动交互，执行器根据从传感器收集的数据执行操作。我们的研究是对WSAN的实现，其中无线光电传感器测量任务照度，无线镇流器执行器根据控制器做出的决定调暗灯光。具体而言，开放式办公室中每个工作站上的照度取决于一个以上的照明器以及日光，因此镇流器致动器之间的协调对于响应可用日光并提供所需的照明至关重要。
第4章 照明控制问题描述
最近的研究指出，允许居住者在他们喜欢的照明下工作不仅可以提高生产力，而且可以节能。5在某些先进的做法中，有针对性地对齐一个或多个头顶照明器，并将其与每个工作站相关联，作为占用者的指定光源。嵌入照明器的光电传感器以及特定于工作站的占用传感器用于收获日光，并在工作空间不占用时调暗或关闭照明。但是，这种方法需要两个照明器和在新建筑和大型建筑中可行的办公场所，但在旧建筑物中则不可行，在可预见的将来仍将主导建筑空间。本文介绍的工作针对具有挑战性的开放式办公室配置，在这种情况下，每个工作台或隔间的正上方都没有照明器用作专用光源。这是大多数办公室中最常见的安排，尤其是那些由于租户变更而进行了重新配置的办公室。
利用无线功能，光电传感器可以灵活地嵌入每个工作站中，而不必硬接线在天花板或灯具中。同样，基于工作站的占用传感器也可以以相同的方式部署，尽管本研究未明确解决。
该照明控制系统的目标是最大程度地利用可用的日光，并以最少的能耗将指定的任务照明提供给每个占用的工作站。图1中的框图说明了系统的概念，其中C是照明控制器，A是无线调光灯具网络，G是照明空间，S代表用于测量每个工作站任务照度的无线传感器。明确的目标是使任务照度接近指定的水平，而隐含的但同样重要的目标是最大程度地减少总体能源使用量。
图1 照明控制系统
图2 照度模型示例
第5章 照明模式
在这项研究中，使用RADIANCE17基于反向光线跟踪的图像渲染引擎，为每个照明器导出了工作平面级别的照度模型。生成照度模型的过程部分受传感器放置优化工具（SPOTTm）的启发。必须指定特定于房间配置的基本知识，包括房间尺寸，表面反射率，灯具位置和光度法。首先在工作平面上的空间在地理上以规定的分辨率减小为正方形网格，然后计算每个正方形中心的照度。生成的照度模型以易于操作的矩阵表示，其中每个元素都是对应于每个正方形中心的工作平面水平照度。图2以图形方式说明了单个灯具的一个此类模型，其中x轴和y轴是房间尺寸。请注意，即使空间不是矩形的，也可以将模型排列成矩阵，但必须注意将每个元素与其地理位置正确关联。
每一个模型都是在假设弱光是全输出的情况下导出的。调光水平与灯具实际光输出之间的关系假定为线性关系，这对于本研究中采用的具有模拟调光镇流器的荧光灯是正确的。对于带有对数麦克风调光的灯光，例如DALI（数字可寻址照明接口），可以很容易地导出稍微复杂一点的映射。尽管调光水平和光输出关系不同，灯具的耗电量始终与实际光输出成正比。19还应注意，模型是在假设空间为空的情况下生成的，并且由于家具的未计数光反射、灯具的折旧等，这些都是建模不确定性的原因。而开放式办公室中的家具尺寸、类型和布置已被认为对产生的任务照明有重大影响，由于控制回路由工作站专用无线光电传感器关闭，因此影响将最小化。如将要讨论的那样。光电传感器确保将任务照明调节到指定的照度，这将在下一节中讨论。
假设空间中任何一点的照度是每个灯具发出的光的总和。假设将具有K个发光度的办公空间离散为mtimes;n正方形的网格，则生成的模型为K mtimes;n矩阵，l1，l2，..与上标编号所指示的K个照明灯中的每个照明灯相关联的IK。可以将工作平面水平E上的房间照度表示为每个模型的线性组合，如公式（1）所示，其中di是每个灯具的全部光输出的分数，即调光水平。
第6章 控制算法设计
如第4节所指出的，智能照明控制的目标是双重的：最大程度地减少整体照明能耗，并提供满足每个职员偏好的令人满意的任务照明。无线联网的光电传感器已在工作站级别实现了光感测，但是多个工作站可以共享来自同一照明器的光这一事实使针对个性化照明的调整成为一个不小的问题。通过设置可单独控制的无线镇流器，一种看似简单的控制策略是将一个或多个照明器链接到最近的无线传感器，并为职员指定的照明实现多个封闭的控制回路。但是，这种方法将涉及更多的工作，并且在调试过程中需要将照明设备与传感器配对，从而导致判断失误，从而破坏了无线照明系统的灵活性。由于光传感器可能会检测并响应来自相邻控制回路的光水平变化，因此在控制回路之间也会发生争斗并导致不稳定的振荡。所提出的照明控制算法的主要概念是，通过利用每个启用无线功能的照明设备的可寻址性，为照明设备提供一组最佳的光输出来实现两个控制目标。所开发的控制算法建立在我们先前的研究之上。
如前一节所述，办公室的整体照明被视为来自每个照明器的光贡献的线性组合。使用等式（1）中照度模型的矩阵表示，目标是找到最佳的di集，以便每个工作站都按照指定的条件正确照明。与等式（2）中的L的每一列中的元素相对应，挑选出与指定了预定照明的位置相对应的K个矩阵中的每个元素。矩阵运算中的T0是一列包含目标照度的向量每个工作站，并且d是列向量，其元素是每个照明器的全光输出的分数。
在方程（3）中，照明能量和偏好控制被表述为一个线性规划问题，这在物理和数学上都是有意义的。通过最小化向量d的1-范数，每个灯具的光输出电平之和最小化，这转化为最小化结果光设置的能量使用。每个占用工作站的指定照明，等式（2）作为线性规划问题的约束条件。每个灯具、DimLevelmin和DimLevelmax的物理调光能力也被视为约束条件。
由于过于严格的约束，优化问题可能无法解决。不可行的问题很可能是由为相邻工作站指定的首选项冲突引起的。在不可行的情况下，将等式（3）中的等式约束放宽为不等式约束，从而允许一些公差。这的物理含义是允许工作站上的光，在一定的容许范围中进行调节，而不是要求精确的光量。总而言之，光照优化的迭代从等式（3）中等式约束的原始线性规划问题开始，通过将等式约束放宽为等式（4）中所示的不等式约束，逐步扩展可容忍范围，直到得到解。尽管考虑到每个职员的公差和灵敏度，有更复杂的放松约束的方法，方程式（4）代表了最直接的方法。
建模不确定性和日光收获在反馈循环中被考虑。假设由光电传感器测量的工作站上的实际照度为Sk[sq（k）srs（k）.....sy（k）]T，其中粗体大写字母s的下标和括号中的数字表示迭代次数，然后将约束条件修改为方程式（5），如等式（6）所示。每次迭代都会使交付的照明更接近所需的照明，并且当所需照度与测得照度之间的差异落入规定的较小公差范围内时，算法终止。
frac14;
第7章 实施和效果评估
在共享空间办公室进行了一项试点研究，该办公室使用无线网络可调光灯和基于工作站的光电传感器，并采用研究照明控制算法实现。
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7.1 系统实施和设置
测试办公室（9.1 5.8 4.3 m )包含10个个人工作站和一些共享工作台，如地板所示计划（图3）。工作平面0.74m在地板上。一共有12种2灯荧光灯，从天花板悬垂1.2 m的灯具均匀地安装在办公室。
图3 开放式办公室实施的平面图
图3灯具角上标记的数字表示灯具的受控光输出将在稍后的讨论中给出的顺序。地板，墙壁和天花板的反射率分别为10％，50％和30％。
图4原型无线镇流器致动模块
图5基于原型工作站的无线光电传感器
最初，十二个灯具物理连接在一起，只能打开通过位于办公室两端的三向开关打开/关闭。此原始照明配置的操作将当为以下讨论中的“基本案例”。每个照明器都进行了调光镇流器的改造，并在本研究的早期阶段开发了原型无线镇流器致动模块，如图4所示。基于工作站的光传感器的原型如图5所示，分别为直接部署到每个工
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