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崑山科技大學
機械系汽車組
學生專題製作報告
智慧節能照明
Smart energy-saving lighting
指導教授: 張育斌、劉鑑德
專題組員: 林信錡 學號: 4060H007
林瑞喆 4060H039
趙翌杉 4060H011
凌柏豪 4060H042
中華民國 110 年 3 月
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崑山科技大學
機械系汽車組
學生專題製作報告
智慧節能照明
Smart energy-saving lighting
指導教授: 張育斌、劉鑑德
專題組員: 林信錡 學號: 4060H007
林瑞喆 4060H039
趙翌杉 4060H011
凌柏豪 4060H042
中華民國 110 年 3 月
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智慧節能照明
林信錡 林瑞喆 趙翌杉 凌柏豪
崑山科技大學機械系汽車組摘要
能源問題一直都是近年來大家非常關注的一個議題，我們的目標是希望能夠 設計一組方便安裝並盡量不做硬體設備更動的智慧節能照明系統，沿用舊有設備 使其以更智慧的方法來節電，同時成本也不能夠太高，是我們這次專題要努力的 方向。 關鍵詞:節能省電、分區控制、安裝容易5
Smart energy-saving lighting
Lin Xinqi Lin Ruizhe Zhao Yishan Ling Bohao
Automotive Group,Department of Mechanical Engineering,Kunshan University of Science and Technology
Abstract
Energy issues have always been a popular topic recent years. Our goal is to design a smart energy-saving lighting systems that are easy to install and minimize hardware equipment changes, Combine old functions and equipment to make them smarter.To save electricity,at the same time ,the cost shouldn't be too high which is the direction.This is the topic that we are work hard on.
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致謝
感謝崑山科技大學機械工程系汽車組開設實務專題這門課，讓學生可以透過 自己的創意發想去做出一個作品，從一開始的蒐集資料到實際動手施做，這些過 程中我們遇到了不少的困難，經過組員彼此互相的討論與修正找出解決問題的方 法，這些都是相當寶貴的經驗，劉鑑德學長扮演非常重要的角色在我們的實務專 題中給予我們非常多的指導與幫助，這一年的實務專題不僅讓我們對智慧節能照 明更了解，也學習到團隊合作的精神讓我們順利的完成實務專題的研究。7
目 錄
頁數 中文摘要 --- IV 英文摘要 --- Ｖ 致謝 --- VI 目錄 --- VII 表目錄 --- VIII 圖目錄 --- IX 一、 作品簡介--- 10 1.1 作品概述--- 10 1.2 硬體規格--- 10 二、 在地區域現況調查--- 11 2.1 已擁有硬體規格種類--- 11 2.1-1 台北 101--- 11 2.1-2 崑山圖書館--- 12 2.1-3 景文科技大學--- 12 2.1-4 故宮南院--- 13 三、 創意設計動機與目的--- 14 3.1 設計的構想來源--- 14 3.2 室內空間光亮照度規範--- 14 3.3 使用感測器/硬體--- 15 四、 創意發想歷程--- 16 4.0 註解--- 16 4.1 製作過程--- 16 4.1.1 前導實驗--- 18 4.1.2 程式設計--- 19 4.1.3 成品組裝與配電--- 19 4.2 實驗過程--- 20 4.2.1 光敏作動反應實驗--- 20 4.2.2 光敏和照度計實驗--- 20 4.2.3 系統整合測試--- 21 五、 應用淺能分析--- 22 六、 作品說明圖說--- 23 七、 環境永續經營評估--- 24 八、 引用文獻--- 258
表目錄
頁數 表 1. 硬體規格--- 8 表 2. 照度標準（JIS Z9100）[文獻1]--- 13 表 3. 不同照明光源的特性[文獻1]--- 14 表 4. 自然光的照度[文獻1]--- 14 表 5. 成本分析--- 22 表 6. 類似產品比較--- 229
圖目錄
頁數 圖1. 本團隊作品-智慧節能系統--- 9 圖2. 台北101智慧節能系統 [文獻3] --- 10 圖3. 崑山科技大學圖書館之節能照明系統 [文獻4] --- 11 圖4. 景文科技大學之智慧節能系統 [文獻5] --- 12 圖5. 故宮南院-系統概念圖 [文獻6] --- 13 圖6. 普通型紅外線感應--- 16 圖7. 結合手機APP控制--- 16 圖8. 環境光感應器--- 17 圖9. 超聲波感應--- 17 圖10. 前導實驗--- 18 圖11. 程式設計--- 19 圖12. 成品組裝與配電--- 19 圖13. 光敏電阻--- 20 圖14. 照度計--- 20 圖15. 系統整合測試--- 21 圖16. 第一代測試燈具--- 21 圖17. 模組化測試--- 22 圖18. 智慧節能照明系統模組成品--- 2410
一、 作品簡介
1.1 作品概述 能源問題一直都是近年來大家非常關注的一個議題，我們的目標是希 望能夠設計一組方便安裝並盡量不做硬體設備更動的智慧節能照明系統， 沿用舊有設備使其以更智慧的方法來節電，同時成本也不能夠太高，是我 們這次專題要努力的方向(如圖1)。 本作品是一套由照度計感測環境，來控制燈座開關，達到節電的效果， 只需花費小錢，也能跟市面上的產品有相同效果。 圖 1 . 本 團 隊 作 品 -智 慧 節 能 系統 表1.硬體規格 項目 內容 規格 備註 1 電源 110V,5V(USB) 2 Arduino版MEGA2560 5v 1個 3 繼電器 5v 8個 4 照度計(GY-302) 5v 4個11
二、在地區域現況調查
2.1 已擁有硬體規格種類 2.1-1 台北 101 台北 101 與飛利浦進行合作，飛利浦照明提供給「台北 101」高品質 LED 燈具的換裝後，能節省下超過 50%的耗能，搭配飛利浦照明研發的智慧照 明系統(如圖 2)，這一套飛利浦照明研發的智慧照明系統 （Power Over Ethernet，POE），與過去照明系統最大的不同點，在於過去的照明都是以 牆內的電線配合插座為主，而新一代的智慧照明則是利用一般的網路信號 線，不但可以將每一個 LED 照明燈具設計成具備 IP 位置的照明設備，在 上面連接感測器之後，就可以將燈具變成感測設備。這不但讓後台可以藉 由電腦來控制燈光的開關、明暗、顏色，還可以了解那些燈具已經損壞， 或是即將損壞而必須更換，降低維修的時間與成本。 圖 2.台北 101 智慧節能系統 [文獻 3]12 2.1-2 崑山圖書館 崑山科技大學之「智慧照明節能示範系統」如圖 3 所示。以節能、創 意及智慧控制為主軸，其中，智慧控制系統利用光感應器(圖 3-a)，人員感 測器(圖 3-b)、DALI 無限段調光模組(圖 3-c)，藉由 3D 空間圖，即時執行 6 大智慧策略，包括智慧排程、日光節約、場景配合、在位控制、個人專屬 控制及智能用電量管理，當發現用電過載，就調整用電狀態。 圖 3.崑山科技大學圖書館之節能照明系統 [文獻 4] 2.1-3 景文科技大學 景文科技大學之執行團隊利用物聯網的概念，自行開發「App 查書智慧 照明、導引節能系統」(圖 4) ，在使用者利用 App 查找所需圖書後，該圖 書所屬書架上方的燈具便會自動開啟，引導使用者直接前往該處取書，增 加使用者的便利性，同時節省書庫的照明耗能，並改善過去使用紅外線自 動感應燈具因使用者在書庫內尋書而全面開啟，造成多餘電力浪費的缺 失。 在閱讀區，使用者也可以利用該 App 直接開啟區域的照明或調整亮度， 促進使用者共同參與節能管理，也達節能教育目的。 圖 4.景文科技大學之智慧節能系統 [文獻 5]
13 2.1-4 故宮南院 故宮南院之照明設計是由國際級的大公照明設計顧問有限公司所設 計，他們使用 ORBIT.X 總線傳輸控制訊號，並以電氣隔離的方式傳輸訊號 給照控制系統，高靈敏度，高除錯功能，訊號強度低於 0.2mV 仍能精確控 制，抗干擾能力強，雙向通訊距離長達 1000 公尺，在控制系統的設定中可 運用圖控軟體或硬體設備本身的裝置設定並可無限的重複修改與讀寫，並 可透過網路方式遠程操作與調整過程控制，其系統擴充與整合功能強，可 以透過 RS-485、或 ETHERNET 網絡 TCP/IP 與計算機連線，設定每個迴路的 操作參數，例如，設定控制地址，設定限流電流值，設定溫度，來進行外 部的控制可透過設備的網絡接口進行軟體升級，在系統中的每個 LED 燈具 都可獨立設定並可透過中央控制做總體控制。 圖 5.故宮南院-系統概念圖 [文獻 6]
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三、創意設計動機與目的
3.1 設計的構想來源 節能減碳一直都是近年來大家所關注的議題，而我們生活中不可或缺 的電燈是一個不容小覷的用電殺手，電器所耗的電如果都能夠妥善管控能 省下不必要的電，其中燈具照明就占了電能使用相當高的比例。平時若能 節省燈具不必要的耗能，相信對於節能的效果會有明顯的助益。相較於白 天，夜晚更需要燈光的照明，無論是在自家門前、車庫、樓梯間、抑或是 暗巷等，都需要使用節能照明裝置。 我們這次專題主要目的是，以較低的成本，進而做出設備多元的裝置 ，並將這套系統架設在我們的太陽能屋裡，然而我們的太陽能屋本就已經 是用綠電潔能了，如果在安裝上我們的這套系統，那我們在節能的概念上 又更進一步了。 3.2 室內空間光亮照度規範 照度是用來測量亮度的單位。物體或被照面上被光源照射所呈現的光 亮呈度，稱為照度，單位為每平方米上的平均流明數(Lumen/m2)，簡稱為 勒克斯(lux)或米燭光。被照面的照度越高，則越容易辨識環境與幫助閱 讀。 表 2. 照度標準（JIS Z9100）[文獻 1] 場所或作業類別 照度範圍（lx） 標準照度（lx） 辦公室、製圖室、閱讀圖書 700 ~ 300 500 會議室、一般教室、閱讀圖書 300 ~ 150 200 樓梯、走廊、客廳、飯廳、廚房 150 ~ 70 100 緊急逃生梯、車庫 70 ~ 30 5015 表 3. 不同照明光源的特性[文獻 1] 照明方式 活 動 空 間 照度〈lux〉 全面照明 吧台玄關走廊樓梯 讀書空間 短時間使用 長時間使用 兒童使用 50 ~ 100 200 ~ 300 300 ~ 500 300 ~ 500 局部照明 細部工作〈繪畫、縫紉、修理〉 短時間使用 長時間使用 精細工作 廚房、洗衣間 化妝 遊戲空間 動態 靜態 一般性活動 精細工作 200 ~ 300 300 ~ 500 500 ~ 1000 300 ~ 500 300 ~ 500 200 ~ 300 300 ~ 500 200 ~ 300 500 ~ 1000 表 4. 自然光的照度[文獻 1] 氣 候 照 度 晴天〈正午〉 晴天陰影下 陰天 室內窗旁 室內明亮處 室內陰暗處 100,000 10,000 20,000 ~ 50,000 1,000 ~ 3,000 200 ~ 500 50 ~ 100
16 3.3 使用感測器/硬體 現今市面上有許多燈泡種類，有的有節能裝置，有的只是簡易的開關。 而節能裝置較高端的成本可達幾百萬，例如整棟房子節能設備的架設，每 個空間都有個別的控制器，去監控這個場域是否有人，也可以設定亮度和 亮的時間，例如:有人經過就調亮電燈，經過幾分鐘後調回原來的亮度，但 這價格昂貴，取得也不容易；另外也有便宜的控制器，例如燈泡連接紅外 線感知器，透過紅外線的發射訊號感測到人，就會亮起，雖然這成本低廉 較不方便，但是為了壓低成本，也要有所犧牲。 圖6.普通型紅外線感應 電阻式紅外線主要用途為偵測人體所散發的紅外線，因為 senser 外有 一層鍍膜，他可防止大部分的紅外線進入，只讓 36.5 度的紅外線波長通過， 因此適合作為人體移動偵測。 圖7.結合手機APP控制
17 電子系統產品將其系統與我們人手一台的手機作連結，能讓我們更方 便更快速地了解當下資訊並控制它來達到當下的需求。 圖8.環境光感應器 偵測其當下的環境並使其轉換成數值供我們方便了解並使用它。 圖9.超聲波感應 超音波發射器、接收器和控制電路所組成。當它被觸發的時候，會發 射一連串 40 kHz 的聲波並且從離它最近的物體接收回音。超音波是人類 耳朵無法聽見的聲音，因為它的頻率很高。
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四、創意發想歷程
4.0 註解 為了能使作品成功，我們保持著大膽的架設，小心的求證之精神進行 作品開發。因此創作歷程包含 4.1 製作過程 與 4.2 實驗過程。分述如 下:(我們的方式可用於單一燈具及辦公室系統 ,分述) 4.1 製作過程 4.1.1 前導實驗 為了驗證想法，我們使用了 arduino 積木來做我們的初步成品，例 如:arduino uno 板、杜邦線、麵包版、照度計(BH1750)等零件，並上網查 各個零件所作動原理和接線方式，運用 arduino 程式使其偵測照度數值並 控制 LED 燈泡作開關的動作(如下圖所示)。 圖10.前導實驗19 4.1.2 程式設計 我們的第一代程式是讀取照度計的數值並控制燈泡的開關，再第二代 的程式中我們將控制燈泡的程式改成控制繼電器的程式，並使其控制燈具， 在第三代的程式中則是加了多顆繼電器來依照數值的不同達成分區控制的 概念，像是當亮度在400流明的時候燈具全關，300流明的時候燈具亮一盞 以此類推。 圖 11.程式設計 4.1.3 成品組裝與配電 零件在依序配好電後，我們將主機板、繼電器、插頭、電線等零件統 整治控制盒中並安裝在燈具後方，我們也將照度計獨立出來，最後完成本 作品”智慧節能照明系統”之製作。我們也帶著作品到實驗室進行安裝， 經過測試後，系統正常運作，整個效果是好的。
20 圖 12.成品組裝與配電 4.2 實驗過程 4.2.1 光敏作動反應實驗 光敏電阻屬於可變電阻的一種，其電阻值會隨著接收到的光強度而改 變，當光強度越大時，電阻值就越小。在極強的光度下，電阻值可能只有 幾歐姆。反之，當光強度越小時，電阻值就會變得相當大，甚至有可能高 達數百萬歐姆以上。 圖13.光敏電阻 4.2.2 光敏和照度計實驗 相對於光敏電阻，BH1750環境光傳感器內置16位的模數轉換器，它能 夠直接輸出一個數字信號，不需要再做複雜的計算。這是一種更精良的和 容易使用的簡易電阻器版本，通過計算電壓，來獲得有效的數據。這款環 境光傳感器能夠直接通過光度計來測量。
21 圖14.照度計 4.2.3 系統整合測試 下圖是我們對照度計的測試，我們在程式中寫入讀取照度計的程式碼 並顯示在電腦上，供我們作參考。 圖15.系統整合測試 下圖是我們首次將系統接入燈具中，並使用繼電器來銜接Arduino板和燈 具。 圖16.第一代測試燈具
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根據4.2.1~4.2.2的原理了解，我們以BH1750環境光感器來偵測數值， 並依照不同數值使我們的燈具全亮或全暗又或是亮一盞等等。
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五、應用淺能分析
首先，我們利用 Arduino 版來接收照度計的照度值，再由 Arduino 版輸出訊 號到繼電器開閉，以此方式來控制燈泡所需要量的數值。此裝置也可用於停車場、 廁所、走道、騎樓、辦公室等，有需要控制照明的地方。 表5.成本分析 Arduino版 照度計(GY-302)(單顆) 繼電器(一組) 線材 麵包版 材料來源 購買 購買 購買 購買 購買 價格 79 130 量化生產 可行 可行 可行 可行 可行 運輸 方便 方便 方便 方便 方便 成本方面是以較低的方式購買來製作產品。 表6.類似產品比較 本團隊作品 市面上產品 價格 便宜 昂貴 有無跟換燈具 無 有24
六、作品說明圖說
本創意作品”智慧節能照明”是以收集照度計數據給 arduino 板經過計算 後，透過繼電器驅動燈具，將節能與智慧化做結合，能讓使用者們節省更多能源。
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七、環境永續經營評估
透過節能的LED燈泡，搭配智慧感測器的相輔能夠以更簡單的方式達到節能減 碳的目的，讓使用者在使用上能更清楚瞭解產品的耗能，可自動變換燈光顏色， 讓眼睛隨時都處於舒服且光線充足的狀態下。能源並不是源源不絕的資源，透過 智慧節能照明系統更能夠節省下許多不必要的耗能，運用適量的能源創造出大量 的照明，這是我們希望透過專題有效提升其實用性與應用性，也同時達到節能的 目標。26
