高等學校綠色照明節能控制的研究

李紅

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春130000）

隨著我國教育水平的提高，高等學校的招生人數日益增加，高校教室照明也就有更大的需求。但目前高校師生節能意識不強，經常造成人已經離開教室，教室燈還亮著的情況，造成巨大的資源浪費，這樣的浪費與當今所倡導的節能理念不符。有些高校雖然采用了聲控燈但節能效果都不理想。黨的十六屆五中全會中提出“要加快建設資源節約型、環境友好型社會”，這一重大戰略決策，建設節約型校園是教育系統落實這一戰略決策的重要舉措。針對當前高等學校的照明現狀，本文提出利用無線物聯網技術，通過無線通信方式建立智能綠色照明控制系統。

1 系統方案

綠色照明主要包括安全、舒適、高效節能、環保4 項指標。其中，“安全、舒適”是指光照清晰、柔和，且不產生紫外線、眩光等光污染；“高效節能”是采用低耗電來獲得足夠照明，進而減小電廠排污，實現環保的目的。本文以某大學的教室作為示范，結合電工電子技術、光電開關原理、光學照明設計等研制實用化的節約型校園綠色照明系統。綠色照明系統主要包括智能中控系統、光照度監測模塊、電動百葉模塊、人數統計模塊、智能照明模塊及無線物聯信息傳感器，系統結構圖如圖1 所示。

圖1 綠色照明系統結構圖

系統以物聯網概念為基礎，針對教室綠色照明系統的多模塊結構及管理分散的問題，設計中央控制系統軟件，建立便捷的用戶界面，研發一種多接口智能照明集中控制系統，以達到中央控制主機通過各類接口，協同控制光照度監測、電動百葉、人數統計、智能照明四個模塊。

2 光照度監測模塊

由國家《民用建筑照明設計標準》GB/133-90 規定可知，教室內照度許可閾值為100～300lx。為滿足光照度使用要求，建立的光照度監測模塊，光照度監測模塊包括室外光照度監測、室內光照度監測、數據統計這3 個部分。光照度監測模塊結構圖如圖2 所示。

圖2 光照度監測模塊結構圖

2.1 室外光照度監測

通過在窗外安裝光照度傳感器，記錄實時光照度值Ei（i=0,1,2···，單位：min），反饋中控系統，運用計算機數學建模分析技術方法，采用Matlab 軟件擬合室外光照度曲線。以國家《民用建筑照明設計標準》GB/133-90 規定的光照度許可閾值為基準，建立室外光照度與光照度許可閾值關系模型。分析Ei 與許可閾值關系，指導其它模塊運行；

2.2 室內光照度監測

在教室的黑板與桌面的不同位置安置光照度傳感器，采用逐點法，記錄實時黑板垂直光照度Ei'和桌面光照度Ei''，分析Ei'與Ei''是否在許可閾值內，根據對測量的實時值進行整合，以控制電動百葉模塊的運行情況，從而使室內的光照強度發生變化。

由于教室內深度不同，形成的光照度不均，因此在教室的典型位置上安裝光照度傳感器，布局如圖3 所示。通過I～VII 光照度傳感器采集室內不同深度下桌面和黑板的光照度，采用Matlab 軟件擬合不同深度、位置下室內光照度曲線，并建立光照度許可閾值與室內光照度關系模型。在滿足室內與室外光照度均在許可閾值范圍內條件下，便實現了綠色照明。

圖3 室內光照度傳感器擬分布圖

根據室內與室外光照度值的對比，以及模擬模型的計算，在不滿足教室光照度的區域內可以自動地選擇性開啟某個區域上的照明燈，而滿足區域光照度的區域可以不開啟照明燈。同時可以依據室外的光照強度來控制電動百葉的開啟狀態。

3 電動百葉模塊

當教室內的絕對的自然采光大于300lx 時，人眼處于非舒適狀態，不能滿足綠色照明基本指標，因此在綠色照明節能控制系統中需要添加電動百葉輔助調節室內光照度。通過計算Ei 數據與國家規定的教室室內光照度許可閾值差值Δ，以電動百葉特征尺寸為基礎，研究電動百葉轉動角度θ、Δ 及室內深度三者之間的關系，建立函數模型，從而更好地配合其它模塊工作，產生的指令傳輸過程如圖4 所示。

圖4 電動百葉運行程序

通過旋轉電動百葉的角度不同來調節教室室內的照度，圖5是電動百葉轉動示意圖，其中，Z 軸是百葉旋轉軸；X 軸是與窗邊平行的方向，設右為正方向；百葉底邊與X 軸正方向的夾角為θ。分析θ、Δ 及室內深度三者的函數關系，建立數學模型。從而智能中控系統可以控制電動百葉轉動，均衡室內照度，適于學生健康用眼。當室外光照強度不是很大，教室內的光照強度不滿足綠色照明要求時，電動百葉通過數據統計分析不動作，保持開窗狀態。當室外光照強度不很大，教室內的光照強度過高時，電動百葉通過數據統計分析開始動作，根據數據的不同控制電動百葉的旋轉角度不同，從而使室內的光照強度滿足要求。

圖5 電動百葉轉動示意圖

4 人數統計模塊

在高校綠色照明控制系統中，除了根據室內的光照度來控制教室照明之外，還要結合教室中是否有人員以及人員所在位置和人數，進行區域性的控制教室室內的照明燈的點亮和熄滅。系統將熱釋電紅外傳感器安裝在教室門上方，統計往來教室的人員人數；在教室內不同區域分散放置若干傳感器，監測人員室內位置，將監測到的信息送到智能中控系統，反饋亮燈情況，觸發其它模塊工作，其信息傳輸過程如圖6 所示。

圖6 人數統計模塊程序

圖7 是人數統計傳感器分布圖，①～④號是熱釋電紅外傳感器用來監測人員進出并統計人數，由于教室存在多門，上、下課學生涌入、涌出和緊急情況要求快速撤離的情況，在每個門的上方安裝兩個熱釋電紅外傳感器，該傳感器能根據人員進出方向輸出正負不同開始的正弦波，將傳感器輸出的正弦波經過帶通濾波、放大、比較后傳入智能中控系統，從而統計室內人數。⑤～⑩號傳感器用來監測室內人員位置，把照明燈同時分成六個區域，在相應的區域內，如果教室內的光照強度不滿足要求，并且通過熱釋電紅外傳感器檢測到該區域有人員時，將監測到的信息傳入智能中控系統，反饋亮燈情況，控制各個燈的開關情況。

圖7 熱釋電紅外傳感器擬分布圖

5 智能照明模塊

綠色照明節能控制系統在光源的選擇上也要具有節能型。系統選用高光效光源，采用CAD、LightTools 等設計軟件，模擬仿真照明系統光線分布情況，優化配置光源陣列，提高光源的光學性能與價格比。運用啟動電壓低、噪聲小、溫升低、重量輕、無閃頻、自身功耗低的電子鎮流器，大大提高系統節能效果。確定高效光源基礎上，運用LightTools 光學軟件模擬照明系統光學分布，采用CAD 軟件仿真光源分布情況，聯合優質性能的電子鎮流器，獲得最優化光源照明分布模塊。

6 通信協議選擇

各模塊之間的通信采用無線物聯網和有線通信相結合的方式進行，比較ZigBee、RS485 等現有通信協議特性，確定ZigBee 和RS485 協議分別適用于小區域和大區域的系統應用。在智能中控系統與光照度監測、電動百葉、人數統計、智能照明模塊的大區域中采用RS485 通信協議，在各個智能照明模塊采用ZigBee 無線通信協議。選擇適宜的通信協議基礎上，開發一種多接口、智能照明集中控制系統，以及與之相匹配的用戶界面。在選擇適宜的通信協議基礎上，開發一種多接口、智能照明集中控制系統，以及與之相匹配的用戶界面，使電信號與數字信號可迅速、高效的轉換傳輸，最終實現綠色照明的智能化控制。

7 結論

本系統以電氣智能化設計為基礎路線，通過光學、物聯網、大數據建立最優的高校綠色照明節能控制模型，構建一套智能采光控制系統，系統初智能控光之外，也具備了傳統的手動開關燈的設計可靈活對教室燈光進行管理。通過前期小樣品教室采光系統的設計，對物聯網在綠色照明節能控制方面提出新的構建思想及理論模型。通過傳感器采集人員密度分布，構建一套新技術數學模型以適應綠色照明及高新技術的經濟可持續性發展。