Smart IoT lighting system for energy consumption optimization

Abstract

Energy management has gained a lot of importance in the contribution of this global process towards consuming energy in a sustainable manner and the reduction of waste. This consumption is growing with increased urbanization that is putting pressure on the needs for electricity in residential, commercial, and institutional buildings, adding considerable energy waste, especially in lighting systems that mostly remain turned on irrespective of occupancy or ambient conditions of light. Thus, with the advent of IoT, smart lighting solutions offer opportunities for reduction in such wastage by way of adaptive systems that adjust lighting based on real-time data on environmental changes. This dissertation sets out to establish proof of the concept of an IoT-based smart lighting system aimed at optimizing energy consumption without compromising user comfort. The sensors of the proposed system monitor ambient light, the smart lamp changes brightness, while the parts comprise Arduino MKR WAN 1300 and Tapo L530E smart lamp connected using LoRaWAN and Node-RED for control logic and data processing. Thus configured, lights will switch on and off dynamically according to the ever-changing environmental conditions and strive for optimization of illumination with minimum energy consumption. Data collected suggests that the system is performing well in energy consumption compared to a traditional lighting setup. Computer simulations and testing confirm the potential for energy savings and drastic peak power reduction. This work falls into the wider group of sustainable smart building systems and points toward further applications of scalable adaptive IoT systems in energy management.

A gestão da energia tem vindo a ganhar grande importância na contribuição deste processo global para o consumo de energia de forma sustentável e para a redução de desperdícios. Este consumo está a crescer com o aumento da urbanização, que está a pressionar as necessidades de eletricidade em edifícios residenciais, comerciais e institucionais, aumentando consideravelmente o desperdício de energia, especialmente nos sistemas de iluminação que, na sua maioria, permanecem ligados independentemente da ocupação ou das condições ambientais de luz. Assim, com o advento da IoT, as soluções de iluminação inteligente oferecem oportunidades para a redução desse desperdício através de sistemas adaptativos que ajustam a iluminação com base em dados em tempo real sobre as alterações ambientais. Esta dissertação tem como objetivo estabelecer a prova de conceito de um sistema de iluminação inteligente baseado em IoT que visa otimizar o consumo de energia sem comprometer o conforto do utilizador. Os sensores do sistema proposto monitorizam a luz ambiente, a lâmpada inteligente altera a luminosidade, enquanto as peças compreendem o Arduino MKR WAN 1300 e a lâmpada inteligente Tapo L530E conectados usando LoRaWAN e Node-RED para lógica de controlo e processamento de dados. Assim configuradas, as luzes ligam-se e desligam-se dinamicamente de acordo com as condições ambientais em constante mudança e procuram otimizar a iluminação com um consumo mínimo de energia. Os dados recolhidos sugerem que o sistema tem um bom desempenho em termos de consumo de energia, em comparação com uma configuração de iluminação tradicional. As simulações e os testes efetuados em computador confirmam o potencial de poupança de energia e de redução do consumo de energia.