教學(xué)樓宇智能照明控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)目前高校教學(xué)樓照明系統(tǒng)管理方式存在的用電浪費(fèi)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(gè)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(dòng)關(guān)燈，并能將每個(gè)教室的實(shí)時(shí)照明情況傳輸?shù)浇虒W(xué)樓總控制室，實(shí)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(yùn)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(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(gè)教室的使用功能也各有不同，使得管理員無法對(duì)每個(gè)教室做到實(shí)時(shí)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(fèi)[2]。因此，設(shè)計(jì)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(fèi)，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(jì)

系統(tǒng)包括分區(qū)感應(yīng)控制單元、教室分控傳輸分機(jī)以及教學(xué)樓總控顯示主機(jī)三個(gè)層次，三者呈逐步遞進(jìn)，構(gòu)成整個(gè)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(gè)管理系統(tǒng)中每個(gè)教室有5個(gè)分區(qū)感應(yīng)控制單元分別對(duì)教室進(jìn)行分區(qū)域感應(yīng)控制，每個(gè)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(jī)，各個(gè)教室的分控傳輸分機(jī)通過兩根總線的連接方式連接到教學(xué)樓總控顯示主機(jī)，教學(xué)樓總控顯示主機(jī)與各分控傳輸分機(jī)通過兩根傳輸線采用脈沖發(fā)碼的方式進(jìn)行通信，同時(shí)提供給分控傳輸分機(jī)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(jì)

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(jìn)行改造，如圖2所示，學(xué)生的位置平均劃分為四個(gè)區(qū)域，講臺(tái)單獨(dú)一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域屋頂上方放置一個(gè)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(jìn)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(shí)可以由人手動(dòng)打開開關(guān)，感應(yīng)模塊感應(yīng)到人的存在則點(diǎn)亮響應(yīng)區(qū)域的燈具；需要斷電時(shí)則可以手動(dòng)進(jìn)行關(guān)閉，而當(dāng)人離開忘記手動(dòng)關(guān)燈時(shí)，系統(tǒng)則利用紅外裝置周期掃描人體信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動(dòng)關(guān)燈自動(dòng)斷電，達(dá)到進(jìn)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(duì)周圍環(huán)境的紅外源人員出入與光照變化進(jìn)行感應(yīng)，采集信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字化處理后送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)分析紅外傳感器和光傳感器采集的信號(hào)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(hào)存在后，通過單片機(jī)處理控制繼電器開啟燈具并延時(shí)，由于熱釋電紅外感應(yīng)器只能感應(yīng)出有相對(duì)移動(dòng)的人體，所以在延時(shí)時(shí)間的確定非常關(guān)鍵，延時(shí)過短容易造成燈具的誤關(guān)閉，延時(shí)過長容易造成資源浪費(fèi)。通過實(shí)驗(yàn)測量，在區(qū)域內(nèi)只有一人的情況下，延時(shí)在7 min能夠杜絕誤關(guān)閉，區(qū)域內(nèi)兩人的情況下，延時(shí)在5 min能夠杜絕誤關(guān)閉。因此，系統(tǒng)將延時(shí)時(shí)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(diǎn)亮的時(shí)間不過長，并且在人員過于分散情況下，部分分區(qū)也會(huì)自動(dòng)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(fèi)多的問題，顯著提高了電能的使用率。

在單片機(jī)在選型上沒有采用傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，因?yàn)榉胖迷谔旎ò宓姆謪^(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(jī)是一款超低價(jià)A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)單片機(jī)，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)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(shí)鐘，功能夠用，體積和價(jià)格是89C51的[18]左右，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)。

在達(dá)到控制燈具繼電器開啟斷電的同時(shí)，單片機(jī)通過2.4 GHz無線收發(fā)模塊將控制信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇淌曳挚貍鬏敺謾C(jī)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(shí)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(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，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(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 教室分控傳輸分機(jī)

教室分控傳輸分機(jī)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(gè)分區(qū)感應(yīng)模塊工作狀態(tài)的收集，后通過單片機(jī)處理得到整個(gè)教室是否有燈具點(diǎn)亮的結(jié)果，最后將教室燈具的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)浇虒W(xué)樓總控顯示主機(jī)上。

圖4 教室分控傳輸分機(jī)結(jié)構(gòu)圖

分機(jī)中的電壓及脈沖碼處理電路如圖5所示，能夠完成將主機(jī)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(jī)單片機(jī)所需3.6 V電壓，電路同時(shí)完成對(duì)主機(jī)發(fā)來的高低電平脈沖碼的預(yù)處理。

圖5 分機(jī)電壓及脈沖碼處理電路

2.3 教學(xué)樓總控顯示主機(jī)

教學(xué)樓總控顯示主機(jī)由單片機(jī)、分機(jī)狀態(tài)顯示陣列、時(shí)鐘電路、USB接口電路及電源電路5個(gè)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(jī)供電的4.5 V直流電壓并給分機(jī)提供高電平為20 V低電平為7 V的直流電壓。單片機(jī)接收由分機(jī)發(fā)來的各分機(jī)狀態(tài)信息碼，處理后點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的分機(jī)狀態(tài)顯示燈，管理人員可以通過分機(jī)狀態(tài)顯示燈陣列實(shí)時(shí)掌握整棟教學(xué)樓各個(gè)教室的燈具亮滅情況，出現(xiàn)特殊情況可予以及時(shí)處理。時(shí)鐘電路及USB接口電路為附屬功能電路，時(shí)鐘電路包括時(shí)鐘芯片SD2403API及時(shí)鐘數(shù)碼管FJS?8402A兩部分電路，單片機(jī)采集時(shí)鐘芯片的時(shí)間輸出到時(shí)鐘數(shù)碼管顯示當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，而通過USB接口電路可以將分機(jī)狀態(tài)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)服務(wù)界面實(shí)時(shí)顯示各分機(jī)狀態(tài)。教學(xué)樓總控顯示主機(jī)還具有巡檢的功能，可以對(duì)分機(jī)發(fā)出巡檢指令，逐一巡回檢查各教室分機(jī)工作狀態(tài)并返回狀態(tài)值。

圖6 教學(xué)樓總控顯示主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

教學(xué)樓主機(jī)與教室分機(jī)之間采用所有分機(jī)并聯(lián)至主機(jī)的兩線連接方式，兩線供電同時(shí)完成主機(jī)與各分機(jī)間通信的功能。由于采用分機(jī)并聯(lián)方式，為了區(qū)別不同的分機(jī)，每個(gè)分機(jī)有惟一的識(shí)別碼。主機(jī)與分機(jī)的通信方式采用了高低電平脈沖發(fā)碼的方式進(jìn)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(shí)，兩線電壓保持20 V不變，僅作為供電線；當(dāng)需要通信時(shí)，會(huì)首先發(fā)送一個(gè)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(qǐng)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(jī)與分機(jī)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(jī)、教室分機(jī)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(gè)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(duì)主機(jī)與分機(jī)間的有限脈沖通信方式和分機(jī)與感應(yīng)控制單元間的無線通信模式進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，對(duì)感應(yīng)控制單元的工作原理及延時(shí)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

系統(tǒng)能夠工作在手動(dòng)開啟、自動(dòng)關(guān)閉模式，根據(jù)人員及光照度自動(dòng)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(shí)，在器件選型上采用性價(jià)比高的工程用芯片，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方便使用和節(jié)能管理的有機(jī)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(shí)際使用中有效降低了學(xué)校教學(xué)樓照明運(yùn)行費(fèi)用，滿足了“方便、實(shí)用、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)”的要求。安裝方便運(yùn)行成本低，實(shí)現(xiàn)對(duì)校園照明進(jìn)行科學(xué)高效的控制，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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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