智慧校園照明控制綜述

徐 華，郭紅艷，劉力紅

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

智慧校園照明控制綜述

徐 華，郭紅艷，劉力紅

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

本文結(jié)合智慧校園的發(fā)展，對(duì)校園典型建筑如教學(xué)樓、圖書(shū)館及校園園區(qū)照明控制與傳統(tǒng)照明控制進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)了在智慧校園中照明控制的趨勢(shì)。

智慧校園；照明控制；教育信息化

引言

智慧校園是為師生提供人與人、人與校園、人與物、物與物的和諧共處、節(jié)約高效的泛在網(wǎng)絡(luò)和管理智慧。它運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算、應(yīng)用集成等前沿信息技術(shù)手段，把學(xué)校里分散的、各自為政的信息化系統(tǒng)和資源整合為一個(gè)具有高度感知能力、協(xié)同能力和服務(wù)能力的有機(jī)整體，對(duì)學(xué)校的科教運(yùn)作、校園管理和公眾服務(wù)提供強(qiáng)有力的智能支撐。智慧校園能夠提供無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境、方便周到的校園生活、豐富多彩的校園文化、融合創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)科研、透明高效的校務(wù)治理。智慧校園建設(shè)促進(jìn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，也改變了教學(xué)模式，而教學(xué)模式的創(chuàng)新，對(duì)信息技術(shù)又提出了更高的要求，校園建設(shè)逐步從智能化到智慧化的轉(zhuǎn)變已得到大家的共識(shí)[1-4]。

在智慧校園建設(shè)中，照明關(guān)系到教學(xué)環(huán)境、校園生活的舒適，照明光環(huán)境也與師生的視力和心理生理健康密切相關(guān)，是智慧校園建設(shè)的一個(gè)重要方面，隨著照明技術(shù)的發(fā)展，照明控制在照明光環(huán)境方面起著舉足輕重的作用[5]。

校園牽涉的建筑類(lèi)型很多，包括校園內(nèi)的教學(xué)樓、圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)樓、風(fēng)雨操場(chǎng)(體育場(chǎng)館)、會(huì)堂、辦公樓、學(xué)生宿舍、食堂及附屬設(shè)施等供教育教學(xué)活動(dòng)所使用的建筑物及生活用房等，智慧校園照明中最具特點(diǎn)的是教學(xué)樓和圖書(shū)館以及校園園區(qū)照明。以下綜述教學(xué)樓、圖書(shū)館和校園園區(qū)的照明控制。

1 教學(xué)樓照明控制

1.1教室照明控制

教學(xué)樓照明中最主要的是教室照明，教室照明控制要適應(yīng)不同的演示和教學(xué)情景，并考慮自然光的影響。

傳統(tǒng)教室只為講課而設(shè)計(jì)，靈活性很差，師生的交流被空間及桌椅所束縛，學(xué)生的活動(dòng)范圍受限，沒(méi)有考慮進(jìn)行教與學(xué)的教師和學(xué)生的訴求，未能充分支持協(xié)作學(xué)習(xí)，被動(dòng)的抄筆記式設(shè)計(jì)，而不是常見(jiàn)的交流模式。現(xiàn)在的教室存在阻礙學(xué)習(xí)的問(wèn)題，無(wú)法滿足學(xué)生及教師的互動(dòng)性需求。傳統(tǒng)的教室照明控制基本采用面板開(kāi)關(guān)控制，黑板照明開(kāi)關(guān)設(shè)在黑板處，教室照明控制分組控制，分組不僅要考慮采光的影響，還要考慮對(duì)投影的影響，例如：圖1中的分組是把教室內(nèi)的燈具，按距離采光側(cè)窗的遠(yuǎn)近分為5組，裝設(shè)5個(gè)開(kāi)關(guān)。對(duì)1～5組中的每組燈具均可單獨(dú)控制，以實(shí)現(xiàn)上述的人工照明對(duì)天然采光變化的恒定調(diào)節(jié)功能。

圖1 單側(cè)采光照明控制分組示意Fig.1 Assignment of unilateral daylighting control

圖1中，如果考慮對(duì)投影幕的影響，把4、5兩組的燈具再前后分組控制，更為合理，這樣除黑板照明外，還需要7個(gè)開(kāi)關(guān)控制，其靈活性仍然不足。

智慧教室是把學(xué)校的傳統(tǒng)教室解放為移動(dòng)的開(kāi)放的教室形態(tài)，把老師從固定的講臺(tái)位置解放出來(lái)，把老師從傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”或者是“PPT+幕布”的形態(tài)中解放出來(lái)，充分實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)。學(xué)生在課堂上能聽(tīng)、能看，更能參與體驗(yàn)，整個(gè)課堂氣氛活躍，讓知識(shí)易于理解。

智慧教室模型的構(gòu)成的基本要素可以采用“4+1”模式，即物理空間下的空間陳設(shè)、物理環(huán)境、技術(shù)支持、資源加上一個(gè)虛擬學(xué)習(xí)空間。現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用包括多媒體技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、圖像識(shí)別分析技術(shù)。智慧教室模型要素見(jiàn)圖2，智慧教室模型見(jiàn)圖3。

圖2 智慧教室模型要素Fig.2 Elements of smart classroom model

圖3 智慧教室模型Fig.3 Smart classroom model

從上述教室模型的變化可看出，課桌是經(jīng)常變化的，照明不僅要滿足學(xué)生看書(shū)、寫(xiě)字、繪畫(huà)等要求，保證視覺(jué)目標(biāo)水平和垂直照度要求，還要滿足學(xué)生之間面對(duì)面交流的要求。智慧教室照明控制可以采用智能控制方式，可以采用人員感應(yīng)、照度補(bǔ)償、調(diào)光或分組控制，條件允許時(shí)，可以采用單燈單控方式。目前，LED用于教室照明已經(jīng)較為成熟，控制方式更為靈活多樣。圖4為總線回路控制示意。

圖4 總線回路控制示意Fig.4 Bus loop control

LED照明的低壓、直流特點(diǎn)，使得照明采用以太網(wǎng)供電POE(Power Over Ethernet)成為可能，這種利用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)傳輸電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù)和電功率的方式，不僅提高了照明的安全性，還為照明的智能控制提供了極大的便利，做到單燈控制。圖5為POE供電的照明控制示意，每間教室特別適合直流供電，網(wǎng)絡(luò)化控制，與智慧校園網(wǎng)絡(luò)相融合。

圖5 POE供電的照明控制示意Fig.5 Lighting control powered by POE

1.2公共區(qū)域的照明控制

公共區(qū)域照明控制，適合采用人員探測(cè)加光照補(bǔ)償，目前，已有走廊型人員感應(yīng)探測(cè)器，一個(gè)探頭可探測(cè)寬3 m長(zhǎng)20 m的矩形區(qū)域，為長(zhǎng)走廊的自動(dòng)控制提供了便利。

2 圖書(shū)館的照明控制

圖書(shū)館照明的重點(diǎn)是做好閱覽室和書(shū)庫(kù)的照明。圖書(shū)館內(nèi)的公用照明與工作(辦公)區(qū)照明宜分開(kāi)配電和控制。圖書(shū)館內(nèi)大空間區(qū)域較多，采用智能集中控制既方便，又有利于節(jié)能，一般采用總線回路控制方式。

書(shū)庫(kù)書(shū)架之間的行道照明應(yīng)采用專(zhuān)用燈具，并設(shè)單獨(dú)開(kāi)關(guān)控制。開(kāi)架書(shū)庫(kù)設(shè)有研究廂時(shí)，應(yīng)在研究廂處增設(shè)局部照明及就地控制。

現(xiàn)代化的圖書(shū)館，書(shū)庫(kù)與閱覽越來(lái)越趨向在一個(gè)空間內(nèi)，取書(shū)自助服務(wù)。一般在建筑靠外墻有窗的部位設(shè)置閱覽桌，閱覽部分還可充分利用自然光，在建筑中心部位設(shè)置書(shū)庫(kù)，書(shū)庫(kù)與閱覽的照明要求和照度值是不同的，而為了建筑空間的美觀，又希望頂棚布燈要整齊，照明設(shè)計(jì)要充分與建筑師協(xié)商，在書(shū)架部分和閱覽部分采用不同數(shù)量的光源和不同配光的燈具，而外形上可以相似。為節(jié)能，書(shū)架部分宜采用圖6所示的照明及控制方式，可以在書(shū)架端控制，也可以采用人員感應(yīng)探測(cè)控制，閱覽桌可增加局部照明，就地控制。圖7是書(shū)庫(kù)與閱覽混合形式，頂部基礎(chǔ)照明可以選取較低的照度水平，閱覽和書(shū)庫(kù)基礎(chǔ)照明應(yīng)分回路配電和集中控制，書(shū)架燈具人員感應(yīng)控制，閱覽桌照明就地控制。

圖6 書(shū)庫(kù)書(shū)架照明及控制Fig.6 Stack bookshelf lighting and control

圖7 書(shū)庫(kù)與閱覽混合形式Fig.7 The mixing way of library and reading room

3 校園園區(qū)的照明控制

智慧路燈、庭院燈在校園內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，燈桿可以綜合安防攝像、報(bào)警、廣播、顯示、wifi等功能， LED路燈系統(tǒng)通過(guò)集成與拓展應(yīng)用，組成了校園的“天然”傳感與傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)-智慧燈聯(lián)網(wǎng)，是智慧校園需要一個(gè)信息采集、信息發(fā)布、信息傳輸?shù)妮d體。智慧路燈使得智慧校園有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋更易實(shí)現(xiàn)。圖8是智慧庭院燈的基本功能示意，圖9是典型智慧庭院燈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意。

圖8 智慧庭院燈的基本功能Fig.8 Basic function of smart courtyard lamp

圖9 典型智慧庭院燈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Network construction of typical smart courtyard lamp

4 結(jié)語(yǔ)

“智慧校園”是校園管理和教學(xué)水平逐步提升的體現(xiàn)，是教育現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。建設(shè)“智慧校園”的重要目的，是通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和虛擬化等新技術(shù)，改變學(xué)校、學(xué)生、家長(zhǎng)和校園資源相互交互方式。 將學(xué)校的安全、教務(wù)、校園資源和感知應(yīng)用系統(tǒng)有效整合，以提高應(yīng)用交互的明確性、靈活性和響應(yīng)速度，智慧照明在智慧校園建設(shè)中是一個(gè)重要載體，從建筑公共區(qū)域、教室、圖書(shū)館閱覽室、書(shū)庫(kù)等室內(nèi)場(chǎng)所，到校園路燈、庭院燈，照明控制的網(wǎng)絡(luò)化是一個(gè)必然趨勢(shì)。

[1] 教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年).教育部，2012.

[2] 教育信息化“十三五”規(guī)劃.教育部，2016.

[3] 教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 310—2013.

[4] 智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50314—2015.

[5] 照明設(shè)計(jì)手冊(cè).第三版.北京：中國(guó)電力出版社，2016.

OverviewofSmartCampusLightingControl

XU Hua, GUO Hongyan, LIU Lihong
(ArchitecturalDesign&ResearchInstituteofTsinghuaUniversityCo.,LTD,Beijing100084，China)

Combining with the development of smart campus, the lighting control and the traditional lighting control in the campus typical buildings including teaching building, library and campus was compared in the paper. Then, the trend of lighting control in the smart campus was presented.

smart campus; lighting control; education information

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.001