教學(xué)樓宇智能照明控制管理系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要： 針對目前高校教學(xué)樓照明系統(tǒng)管理方式存在的用電浪費比較嚴(yán)重的現(xiàn)象，利用熱釋電紅外裝置和無線傳輸技術(shù)構(gòu)建了從教室分區(qū)到整個教學(xué)樓的層次化智能照明控制管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動關(guān)燈，并能將每個教室的實時照明情況傳輸?shù)浇虒W(xué)樓總控制室，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、統(tǒng)一管理，有效降低了高校教學(xué)樓照明運行能耗。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)樓照明； 智能控制； 節(jié)能； 照明控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0097?03

Design of intelligent lighting control system of teaching building

WANG Liang1， ZHU Ruihua2

（1. School of Software and Service Outsourcing， Qingdao Technical College， Qingdao 266555， China；

2. Management Committee， Jiaonan Economic Development Zone， Qingdao 266555， China）

Abstract： Aiming at the serious waste problem existing in illuminating system management of teaching building in college， the intelligent lighting hierarchical control system based on the pyroelectricity infrared devices and wireless transmission technology was constructed from the classrooms to the whole teaching building. The system has the automatic turn?off function， and can transmit the real?time lighting status of each classroom to the master control roomof the teaching building. It has implemented the remote monitoring and unified management， reduced the energy consumption of lighting system of college teaching building effectively.

Keywords： teaching building lighting； intelligent control； energy saving； lighting control system

隨著教育事業(yè)的快速發(fā)展，高校已成為重要的用電大戶[1]。高校作為年輕人集中學(xué)習(xí)的場所，照明用電的消耗在學(xué)校用電量中占很大地比例。目前各高校的教室照明還停留在人工控制狀態(tài)，但由于教室數(shù)量多，每個教室的使用功能也各有不同，使得管理員無法對每個教室做到實時控制，經(jīng)常出現(xiàn)教室亮燈卻無人，光線充足也亮燈的現(xiàn)象，造成不必要的電力資源浪費[2]。因此，設(shè)計一種成本低，易于改造施工的教學(xué)樓智能照明控制管理系統(tǒng)，無疑是減少能源浪費，提高教學(xué)樓用電效率的重要措施。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)包括分區(qū)感應(yīng)控制單元、教室分控傳輸分機以及教學(xué)樓總控顯示主機三個層次，三者呈逐步遞進，構(gòu)成整個教學(xué)樓的照明節(jié)能控制管理系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在整個管理系統(tǒng)中每個教室有5個分區(qū)感應(yīng)控制單元分別對教室進行分區(qū)域感應(yīng)控制，每個分區(qū)感應(yīng)控制單元將控制狀態(tài)信息通過2.4 GHz的無線通信傳輸?shù)浇淌曳挚貍鬏敺謾C，各個教室的分控傳輸分機通過兩根總線的連接方式連接到教學(xué)樓總控顯示主機，教學(xué)樓總控顯示主機與各分控傳輸分機通過兩根傳輸線采用脈沖發(fā)碼的方式進行通信，同時提供給分控傳輸分機供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 分區(qū)感應(yīng)控制單元

教室內(nèi)節(jié)電控制采用分區(qū)控制的形式進行改造，如圖2所示，學(xué)生的位置平均劃分為四個區(qū)域，講臺單獨一個區(qū)域，每個區(qū)域屋頂上方放置一個分區(qū)感應(yīng)模塊。分區(qū)感應(yīng)控制單元串聯(lián)至原來燈具的回路，并采用市電轉(zhuǎn)換而來的直流電源進行供電，減少了照明系統(tǒng)改造布線的麻煩。由于分區(qū)感應(yīng)模塊是串聯(lián)至原照明回路的，原照明回路的開關(guān)并不移除，這樣使得需要照明時可以由人手動打開開關(guān)，感應(yīng)模塊感應(yīng)到人的存在則點亮響應(yīng)區(qū)域的燈具；需要斷電時則可以手動進行關(guān)閉，而當(dāng)人離開忘記手動關(guān)燈時，系統(tǒng)則利用紅外裝置周期掃描人體信號，能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動關(guān)燈自動斷電，達(dá)到進一步節(jié)能的目的。

圖2 教室內(nèi)分區(qū)控制圖

分區(qū)感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用熱釋電紅外感應(yīng)器及光敏電阻分別對周圍環(huán)境的紅外源人員出入與光照變化進行感應(yīng)，采集信號并進行數(shù)字化處理后送給單片機進行處理，單片機根據(jù)分析紅外傳感器和光傳感器采集的信號做出照明電路的開啟、關(guān)閉的判斷從而控制照明電路的合理利用，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

圖3 分區(qū)感應(yīng)單元結(jié)構(gòu)圖

熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到區(qū)域人體信號存在后，通過單片機處理控制繼電器開啟燈具并延時，由于熱釋電紅外感應(yīng)器只能感應(yīng)出有相對移動的人體，所以在延時時間的確定非常關(guān)鍵，延時過短容易造成燈具的誤關(guān)閉，延時過長容易造成資源浪費。通過實驗測量，在區(qū)域內(nèi)只有一人的情況下，延時在7 min能夠杜絕誤關(guān)閉，區(qū)域內(nèi)兩人的情況下，延時在5 min能夠杜絕誤關(guān)閉。因此，系統(tǒng)將延時時間設(shè)定在4～5 min，能夠保證教室人員全部離開后燈具繼續(xù)點亮的時間不過長，并且在人員過于分散情況下，部分分區(qū)也會自動關(guān)燈，促使人員集中。該系統(tǒng)較好地解決了高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費多的問題，顯著提高了電能的使用率。

在單片機在選型上沒有采用傳統(tǒng)的8051單片機，因為放置在天花板的分區(qū)感應(yīng)模塊需要體積較小，重量比較輕，經(jīng)過比較選用了STC15L204EA。STC15F204EA單片機是一款超低價A/D轉(zhuǎn)換單片機單片機，1個時鐘/機器周期，高速、高可靠，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部高精度R/C時鐘，功能夠用，體積和價格是89C51的[18]左右，指令代碼完全兼容8051單片機。

在達(dá)到控制燈具繼電器開啟斷電的同時，單片機通過2.4 GHz無線收發(fā)模塊將控制信號實時傳輸?shù)浇淌曳挚貍鬏敺謾C上，以便于將分區(qū)控制狀態(tài)匯總至總控模塊。無限傳輸技術(shù)有WiFi， Bluetooth（藍(lán)牙）和ZigBee，但是綜合考慮了諸如工作距離，功能，功耗，延遲以及干擾和安全性等問題，基于NRF24L01的無限傳輸模塊在成本，接收靈敏度，傳輸速率，上電時間和功率消耗之間做到了很好的平衡。基于NRF24L01的2.4 GHz無線收發(fā)模塊，具有速率高、體積小、性能穩(wěn)定、價格低的優(yōu)點，工作頻率范圍為2 400～25 125 MHz，功率最大均能達(dá)到 20 dBm左右，傳輸距離在240 m以內(nèi)都能收到正確數(shù)據(jù)包，能夠滿足教室內(nèi)的信號傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 教室分控傳輸分機

教室分控傳輸分機結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4，通過基于NRF24L01的2.4 GHz無線收發(fā)模塊完成本教室5個分區(qū)感應(yīng)模塊工作狀態(tài)的收集，后通過單片機處理得到整個教室是否有燈具點亮的結(jié)果，最后將教室燈具的實時狀態(tài)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)浇虒W(xué)樓總控顯示主機上。

圖4 教室分控傳輸分機結(jié)構(gòu)圖

分機中的電壓及脈沖碼處理電路如圖5所示，能夠完成將主機傳輸?shù)膬删€高電平為20 V的供電電壓通過HT7136轉(zhuǎn)變?yōu)榉謾C單片機所需3.6 V電壓，電路同時完成對主機發(fā)來的高低電平脈沖碼的預(yù)處理。

圖5 分機電壓及脈沖碼處理電路

2.3 教學(xué)樓總控顯示主機

教學(xué)樓總控顯示主機由單片機、分機狀態(tài)顯示陣列、時鐘電路、USB接口電路及電源電路5個部分組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

電源電路將電源適配器供給的24 V直流電轉(zhuǎn)換成為給單片機供電的4.5 V直流電壓并給分機提供高電平為20 V低電平為7 V的直流電壓。單片機接收由分機發(fā)來的各分機狀態(tài)信息碼，處理后點亮或熄滅相應(yīng)的分機狀態(tài)顯示燈，管理人員可以通過分機狀態(tài)顯示燈陣列實時掌握整棟教學(xué)樓各個教室的燈具亮滅情況，出現(xiàn)特殊情況可予以及時處理。時鐘電路及USB接口電路為附屬功能電路，時鐘電路包括時鐘芯片SD2403API及時鐘數(shù)碼管FJS?8402A兩部分電路，單片機采集時鐘芯片的時間輸出到時鐘數(shù)碼管顯示當(dāng)前系統(tǒng)時間，而通過USB接口電路可以將分機狀態(tài)傳輸?shù)接嬎銠C，通過計算機服務(wù)界面實時顯示各分機狀態(tài)。教學(xué)樓總控顯示主機還具有巡檢的功能，可以對分機發(fā)出巡檢指令，逐一巡回檢查各教室分機工作狀態(tài)并返回狀態(tài)值。

圖6 教學(xué)樓總控顯示主機結(jié)構(gòu)框圖

教學(xué)樓主機與教室分機之間采用所有分機并聯(lián)至主機的兩線連接方式，兩線供電同時完成主機與各分機間通信的功能。由于采用分機并聯(lián)方式，為了區(qū)別不同的分機，每個分機有惟一的識別碼。主機與分機的通信方式采用了高低電平脈沖發(fā)碼的方式進行，如圖7所示，高電平為20 V，低電平為7 V。當(dāng)不需要通信時，兩線電壓保持20 V不變，僅作為供電線；當(dāng)需要通信時，會首先發(fā)送一個起始脈沖，起始脈沖的低電平寬度的不同代表不同的工作請求。起始脈沖過后就是要傳輸?shù)拇a，圖7中占空比為[14]的周期代表“0”碼，占空比為[34]的周期代表“1”碼，通過占空比的不同就可以得到需要發(fā)送和接收的信息。這種兩線脈沖通信方式大大減少了整體的布線量。

圖7 主機與分機通訊脈沖示意圖

3 結(jié) 語

本文給出了教學(xué)樓照明節(jié)能整體控制管理系統(tǒng)方案，采用樓宇主機、教室分機及教室內(nèi)分區(qū)控制三層管控方式，達(dá)到了充分的節(jié)能管理。詳細(xì)闡述了整個節(jié)電控制系統(tǒng)的構(gòu)成、各部分控制電路的具體結(jié)構(gòu)及器件選型，對主機與分機間的有限脈沖通信方式和分機與感應(yīng)控制單元間的無線通信模式進行了重點闡述，對感應(yīng)控制單元的工作原理及延時具體數(shù)據(jù)進行了分析。

系統(tǒng)能夠工作在手動開啟、自動關(guān)閉模式，根據(jù)人員及光照度自動斷電，層間基于2.4 GHz的無線通信及兩線脈沖通信模式減少了布線鋪設(shè)，使工程的施工更加容易，達(dá)到國家所提倡的節(jié)能減排。同時，在器件選型上采用性價比高的工程用芯片，系統(tǒng)實現(xiàn)了方便使用和節(jié)能管理的有機協(xié)調(diào)，較好地解決了節(jié)能照明產(chǎn)品“節(jié)電但不省錢”的問題，在實際使用中有效降低了學(xué)校教學(xué)樓照明運行費用，滿足了“方便、實用、節(jié)能、經(jīng)濟”的要求。安裝方便運行成本低，實現(xiàn)對校園照明進行科學(xué)高效的控制，系統(tǒng)的設(shè)計方案為其他智能照明控制系統(tǒng)提供了參考與借鑒。

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