階梯教室智能照明系統設計

馮浩瀚

（華北理工大學 人工智能學院，河北 唐山 063210）

0 引 言

目前，大學的照明系統依賴于人為的開關，由于管理落后，易造成“人走燈亮”等問題，增大了校園電量消耗。如何高效地利用資源是目前急需解決的問題。本方案以華北理工大學為例，研究階梯教室的照明問題，通過對照明系統的改進，消除“長明燈”現象，實現能夠根據光照度自動化開燈，將教室區域化，根據每一區域是否有人決定是否開燈，讓校園變得智能化，同時滿足學生的日常學習需要和高校節能環保理念，更好地利用電能。

1 階梯教室照明現狀分析

1.1 光照度定義

照度全稱為光照度，又名照度均勻度，表示被光照到的物體表面單位面積上受到的光通量面積，單位為“勒克斯”，簡稱“勒”，用單位符號“lx”表示，1勒克斯等于1流明/平方米，即被光照到的物體表面每平方米的面積上，受距離1 m、發光強度為1坎德垃的光源垂直照射的光通量。按照我國《建筑照明設計標準》規定所示，華北理工大學階梯教室的標準光照度應達到300 lx[1]。

1.2 影響教室光照度的因素

1.2.1 天氣因素

由于當日天氣可能為晴天或陰天，不同的天氣會影響教室的光照度。臨近冬季，因供暖等原因空氣質量下降，造成霧霾等問題使得光照度減小。造成學校冬季校采光不佳、光照度不足的天氣原因主要有以下3個。

（1）唐山市冬季的PM2.5多為本地貢獻，部分污染來自鄰近城市輸送。華北理工大學曹妃甸校區位于河北省唐山市曹妃甸新城，曹妃甸西部臨近臨近天津工業區，污染物從天津方向由高空向唐山輸送[2]。

（2）曹妃甸工業區坐落于曹妃甸大學城附近，也存在著工業廢氣、燃料燃燒等污染物向空氣排放現象，造成天氣污染。

（3）曹妃甸區濕度高，冬季氣溫較低，多余的水汽與空氣中的沙塵凝結成小液滴，形成大霧天氣。

1.2.2 教室布局因素

高校教室需要同時兼顧教學質量和能耗環保兩方面，因此在設計照明系統時就要對教室布局進行深入分析。以HE階4教室為例，教室左側平均分布6扇上旋窗，教室后方均勻分布3扇上懸窗。教室靠窗一側光照充足，光照度測量值比非靠窗側的數值大。天花板吊頂均勻，等距排列9×2根LED燈管。燈具全開時，前排座位因與天花板距離較遠，光照度不如后排大，整個教室的光照度的大小從后排到前排逐級遞減。當教室中的同學分布在前排座位時，也涉及燈具最優選擇問題，當燈具離同學距離較近，應控制燈具的色溫，防止同學們產生眩暈感。

1.3 燈具開關情況

智能照明系統以單片機作為主控單元，通過傳感器判斷教室內是否有人，用光敏電阻檢測教室內部光照度大小，進而控制燈具的開關。為了對教室的燈具進行智能控制，需要選擇相應功能的傳感器，針對不同的開燈需求情況來進行檢測。經過分析，需要開燈的情況主要是當教室某一區域有人且光照度不足時需將燈具打開。基于此，可選擇帶有光照度檢測功能和帶有檢測是否有人功能的傳感器[3]。

2 傳感器的選擇

2.1 光照度傳感器的選擇

本次方案設計選用控塞恩公司的RS-485型光照度傳感器來檢測教室內光照度，內部探測器采用可見光波段光敏二極管，感應光照強度并轉為弱電信號，經過集成運放轉換為電壓信號進行輸出。相比較網絡上相同功能的光照度傳感器，本次選擇的產品有著經濟實惠、防護水平好、精確度高等優點。

2.2 室內檢測人體感應器的選擇

檢測人體感應器選擇基于紅外線技術的自動控制模塊HC-SR501，其特點為靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備。由于自身溫度原因，人體會散發出波長約為1×10-5m的紅外譜線，而人體紅外傳感器的作用原理是通過熱釋電效應探測該紅外譜線，同時傳感器內部裝有菲涅爾透鏡，可以將紅外譜線聚集起來使其在熱釋電元件上成像。當有人進入感應器感應范圍時，傳感器探測到由人體發出的紅外光譜與環境溫度的不同，自動輸出高電平，當人離開傳感器范圍時傳感器探測環境溫度停止輸出高電平。傳感器具有延時功能和感應封鎖時間，可實現間隔探測物體的功能，可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。

3 傳感器安放情況

3.1 傳感器作用思路

本次教室智能照明系統的主要應用場景有：白天光照不足時，燈光需要自動打開；夜晚教室無人時，燈光需要關閉；教室人員稀疏時，不需要打開全部燈具；光照度不足時，需要開燈并檢測出人員分布來控制開哪一部分（區域）的燈。通過以上場景分析即可將判斷的邏輯概括為如圖1所示的流程圖。傳感器獲取室內燈光以及人員分布情況，若滿足教室所需光照強度則無需開燈，不滿足光照度標準將判斷是否有人，如有人則進行下一判斷，無人則進入延時環節，然后返回第一步重新進行判斷，當獲取結果為教室內有人且光照度不充足時燈具打開。

圖1 傳感器作用思路

3.2 教室布局

經測量，華北理工大學HE階4教室長24 m，寬14 m，高5 m，空間較大。為獲得較為準確合理的光照度數據，按照教室獲得自然光的能力等級將教室劃分為編號A～I共9個區域。靠窗區域接收自然光的能力最強，其他區域采光能力依次遞減。

3.3 光照度傳感器的安裝

由傳感器作用原理和教室的布局可知，教室不同位置對光照強度有著不同程度的需求。首先在上述劃分的9個區域各安裝一個光照度傳感器，對各區域的光照度進行采集儲存，進行下一步處理，決定是否開啟照明設備。然而此時存在一個問題：光照度傳感器在接受外界自然光的同時，也會受其他打開燈具的影響，當外界光照強度不足時傳感器采集到信息使得燈具開啟，這時燈具開啟的燈光反過來會影響傳感器的光照度采集結果，造成燈具反復開關的問題，使燈具壽命減少，也會影響到教室內部正在進行教學活動或者自習的教師、同學。因此需要在窗外也安裝1個光照度傳感器，與屋內傳感器形成級聯結構。當窗外光照度傳感器檢測到光照度不足，再由下一級室內光照度傳感器進行信息采集，如燈具開啟則進入延時單元，一定時間后，再次由室外光照度傳感器進行光強檢測。

3.4 人體紅外傳感器的安裝

HC-SR501傳感器具有價格低、使用方便、反應靈敏等優點，但是也存在精確度低的缺點，不能實現對某一個人的精準捕捉，只能實現對某一特定區域的檢測。本次方案設計本著經濟實惠、測量準確的理念，沒有在每一個座位都安裝人體感應器，而是將人體紅外傳感器安裝在教室劃分的9個區域中。本次使用的紅外傳感器的探測距離為10 m（室溫25 ℃），根據教室的尺寸，可以將紅外傳感器安裝到9個區域的天花板上，每行傳感器間的距離約為3.3 m，每列傳感器間的距離為8 m，該種布置方案也符合教室燈具的安裝布局。當傳感器檢測到該區域有人，則輸出高電平，將信號實時傳給系統的下一級，根據光照度判斷是否將燈具打開。

4 節能燈具選擇

4.1 藍光的危害

藍光是指由光源發出的波長約400～480 nm具有相對較高能量的譜線，該波長范圍內的藍光可引起眼睛疲勞，對視網膜造成損傷。教室中若藍光含量過高，會降低學生的學習效率，增加學生患近視的風險[4]。傳統的LED燈具與三基色熒光燈相比有更高的藍光含量。

4.2 燈具選用

燈具的使用壽命方面，LED燈壽命大約為50 000 h，熒光燈壽命大約為20 000 h。LED燈的燈光較為刺眼，藍光含量較大，如教師和學生在教學活動中長時間使用，易造成腦部疲勞與視覺疲勞。相比之下，熒光燈燈光柔和，適合在學生長時間學習的教室中使用。因此可采用LED燈為主要照明燈具，安置于前排與天花板距離較遠的區域，而將熒光燈管用于與天花板距離較近的后排座位區域[5]。

5 供電方案

5.1 電源設計

電源供電采用教室中的220 V插座進行供電，該種方式經濟實惠，排線簡單。系統接入220 V交流電，經過變壓器將高壓轉換為低壓交流信號，因傳感器及光敏元件等對周圍環境條件較為敏感，所以要在設計中加入抗噪聲環節，接入橋式單相整流和濾波電路將高次諧波濾除，最后接入7805三端穩壓器，以得到穩定干凈的直流電壓，給主控及傳感器供電[6]。

5.2 接線方式

接線方面，采用M-BUS總線結構。M-BUS總線屬于局域網（Local Area Network，LAN）類型，適用于一座或多座教學樓中連接傳感器與監控設備進行數據傳輸，具有傳輸距離遠、實時性強等特點。該種結構能夠兼顧供電和通信傳輸數據兩種功能，適合本方案中的光照度傳感器和人體紅外傳感器。將每個傳感器與總線端相接，將接線放置在天花板吊頂里。采用該種布線方法，線纜布置隨意、兼容性好、抗干擾能力強，當某一傳感器損壞、需要更換時，該種方案設計也使得傳感器的更換易于操作，具有一定的獨立性。

6 結 語

目前，人工控制燈具開關的方式仍有較大的局限性，對燈光的控制不能做到準時、準確，同時也十分依賴于學生、教師的自覺性。隨著高校規模的擴大，教室數量日益增多，這種傳統的管理機制已經落后于時代，不利于校園的長遠發展。相對于傳統的人工控制燈具開關的方式，智能照明系統在占地面積較大的階梯教室中的作用效果十分明顯，可以根據光照度來進行室內光亮調節，教室不同區域傳感器采集自然光不足時自動開啟燈具，緩解師生視覺疲勞，方便學生學習、教師開展教學活動，體現了高校的管理水平，同時也減少了高校的能源浪費，節省大筆電力開銷，加快現代化校園建設，有利于建成綠色、現代化智能化校園。