教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)研究

李桂香+張君玲+鄒宇琳+彭振武+菅子心+李凱峰

摘 要：傳統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)無(wú)法有效迎合目前高校教室照明節(jié)能控制的需求，因而需要研究新的高校教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)。文中針對(duì)目前高校教室照明問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種面向高校教室的照明節(jié)能控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；傳感器；照明；教室；控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

現(xiàn)階段，生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題日益嚴(yán)峻，煤炭、石油等不可再生能源過(guò)度開(kāi)采，廣大人民群眾的日常生活將面臨前所未有的挑戰(zhàn)，節(jié)能環(huán)保的壓力愈來(lái)愈大。2017年10月18日，習(xí)近平同志代表十八屆中央委員會(huì)向中國(guó)共產(chǎn)黨第十九次全國(guó)代表大會(huì)作的報(bào)告中特別提出“堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的方針，形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式，還自然以寧?kù)o、和諧、美麗”。國(guó)務(wù)院也于2016 年 12 月 20 日發(fā)布了《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》。社會(huì)各界在思想上和行動(dòng)上都與黨中央、國(guó)務(wù)院的相關(guān)政策報(bào)告步調(diào)相一致，也在努力落實(shí)節(jié)能減排工作，并采取了一些更為積極有效的政策、措施和手段。作為培養(yǎng)下一代精英人才的高校，如何把握時(shí)代契機(jī)，將節(jié)能減排落實(shí)到高校的方方面面是每個(gè)高校管理者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 高校教室照明問(wèn)題

1999年擴(kuò)招后高校大學(xué)生的人數(shù)增長(zhǎng)迅猛，高校大肆擴(kuò)建校區(qū)，教室數(shù)量呈直線(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，新建教室寬敞明亮，照明設(shè)施得到了極大改善，但教室“長(zhǎng)明燈”問(wèn)題亦隨之而來(lái)，照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重。與中小學(xué)生在固定教室上課不同，高校大學(xué)生沒(méi)有固定的教室，都根據(jù)高校教務(wù)系統(tǒng)的課表前往相應(yīng)的教室上課，而往往上課地點(diǎn)多變，這種開(kāi)放式的教學(xué)模式導(dǎo)致大學(xué)生群體沒(méi)有養(yǎng)成隨手關(guān)燈的習(xí)慣。即便是在室外光照充足，或高校教室和自修室內(nèi)無(wú)學(xué)生或?qū)W生人數(shù)很少的情況下，高校教室和自修室的所有日光燈都一直長(zhǎng)開(kāi)照明。人走燈不媳的現(xiàn)象不只在一所高校存在，而是幾乎所有高校的通病，大家司空見(jiàn)慣，不以為奇。盡管一個(gè)教室和自修室的日光燈開(kāi)一天能耗有限，但高校教室和自修室基數(shù)龐大，日積月累，每個(gè)月的用電量十分可觀；再者，長(zhǎng)時(shí)間使用燈具也會(huì)降低燈具的使用壽命。根據(jù)相關(guān)部部門(mén)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：高校水電費(fèi)用的支出約占總支出的20%～25%，其中用電經(jīng)費(fèi)支出遠(yuǎn)超用水經(jīng)費(fèi)支出，而高校教室照明的浪費(fèi)主要源自于長(zhǎng)明燈、白天亮燈、人少燈全亮以及舊燈管更換不及時(shí)等。有人初步估算過(guò)：每年全國(guó)所有高校因沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)而浪費(fèi)電能超2×109kW·h，如不能及時(shí)有效地解決能耗問(wèn)題，這個(gè)比例還將隨著高校校園的擴(kuò)建而逐步上升[1-4]。我們以湖南工學(xué)院為例，假設(shè)湖南工學(xué)院現(xiàn)有教室、實(shí)驗(yàn)室及實(shí)習(xí)工廠等約200間，以節(jié)電率平均30%為目標(biāo)，則一年可節(jié)電2.43×104 kW·h，合計(jì)可為學(xué)校節(jié)約電費(fèi)15萬(wàn)～20萬(wàn)元，因此教室、實(shí)驗(yàn)室以及實(shí)習(xí)工廠等教學(xué)場(chǎng)所的照明節(jié)能刻不容緩，必須將其置于重要地位。

2 教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)外很早以前就開(kāi)始探討如何應(yīng)對(duì)高校教室“長(zhǎng)明燈”的問(wèn)題，也取得了一些成果。如美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)和瑞士等國(guó)家，開(kāi)發(fā)了自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制教室照明用的燈具、風(fēng)扇和空調(diào)等耗能電器，切實(shí)降低了能耗。在我國(guó)，現(xiàn)階段大部分高校的自動(dòng)化程度不高，主要依靠人工管理，教室的照明由上課學(xué)生或教室管理員控制。但也有一小部分高校采取了一些卓有成效的節(jié)能控制方法。如南京航空航天大學(xué)根據(jù)學(xué)生人數(shù)分層分區(qū)開(kāi)放教室；山東科技大學(xué)從教室照明燈具分析入手著力實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能；上海海洋大學(xué)開(kāi)發(fā)應(yīng)用了一套集能耗檢測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、節(jié)能控制管理等多種功能于一體的學(xué)校能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但這些方法還存在不少問(wèn)題，比如安裝或改造費(fèi)用高且頗為不便，存在節(jié)能控制系統(tǒng)購(gòu)置費(fèi)用昂貴、能耗大等缺點(diǎn)，因此需要根據(jù)湖南省高校教學(xué)樓照明現(xiàn)狀，深入分析影響教室照明控制的因素，合理設(shè)計(jì)智慧校園教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)教室照明情況進(jìn)行監(jiān)控，并將監(jiān)控過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，執(zhí)行控制中心發(fā)出的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)教室照明的有效監(jiān)控。

2.1 影響教室照明控制的因素

2.1.1 光照強(qiáng)度

教室光照度是指可見(jiàn)光照射到教室單位面積的光通量，規(guī)定其單位為勒克斯（Lx）。根據(jù)我國(guó)建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50033-2013）要求，教室光照強(qiáng)度的照度均值不應(yīng)小于 300 Lx，且桌面上的采光系數(shù)應(yīng)該高于2%，黑板前的照度值應(yīng)不小于500 Lx[1]。因此，我們?cè)谠O(shè)置光照強(qiáng)度閾值時(shí)需要參照此標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 作息時(shí)間

雖然每個(gè)高校的具體作息時(shí)間各不相同，但都會(huì)有一段固定的時(shí)間需要開(kāi)、關(guān)教室內(nèi)的照明設(shè)備。例如，寒、暑假期學(xué)生已放假回家，正常工作日晚上12點(diǎn)以后，各高校的教學(xué)樓要關(guān)門(mén)封樓，并關(guān)閉照明設(shè)備，此外，我們還要區(qū)分夏季和冬季的作息差異。

2.1.3 教室人數(shù)

擬設(shè)計(jì)的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)的目標(biāo)是要能夠最大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能化控制，如果我們僅僅只做到“人來(lái)開(kāi)啟照明設(shè)備、人走關(guān)閉照明設(shè)備”或者“有人開(kāi)啟照明設(shè)備，沒(méi)人關(guān)閉照明設(shè)備”，那么就沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此我們需要根據(jù)教室內(nèi)具體的人數(shù)和人數(shù)分布來(lái)判斷打開(kāi)哪個(gè)區(qū)域的照明設(shè)備，或開(kāi)多少照明設(shè)備。

2.2 教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

根據(jù)智慧校園環(huán)境的實(shí)際部署需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，確定了一種層次化的網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，該架構(gòu)由監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)、Internet和控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。

傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以一棟教學(xué)樓為一個(gè)簇，在每一棟教學(xué)樓的教室監(jiān)控點(diǎn)中均部署了一組傳感器節(jié)點(diǎn)。長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被部署到每一棟教學(xué)樓內(nèi)，并將來(lái)自鄰近教學(xué)樓的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站處的匯聚節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)都被部署在開(kāi)放空間區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間沖突較為嚴(yán)重，因此我們采用了輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)。輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)具有較高的信道利用率和較低的維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)，且具有很好的可擴(kuò)展性。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)Internet將來(lái)自長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)推送到數(shù)據(jù)服務(wù)器?？刂浦行臄?shù)據(jù)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和基于Web的控制操作界面以方便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)瀏覽和分析。endprint

經(jīng)過(guò)對(duì)我?，F(xiàn)有校園樓層分布與網(wǎng)絡(luò)布局的調(diào)查分析，假如重新布局，則需要額外增加一筆不小的開(kāi)支，所以我們?cè)谠芯W(wǎng)絡(luò)布局的基礎(chǔ)上，為每個(gè)教室分配唯一的IP地址，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)將每個(gè)教室的控制單元接到每棟教學(xué)樓的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)借助Internet推送到控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了由教室照明控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器直接與教室控制單元交互的目標(biāo)。而教室控制單元負(fù)責(zé)教室光照、學(xué)生人數(shù)和學(xué)生區(qū)域分布及開(kāi)關(guān)教室耗能設(shè)備等信息的采集。具有以下功能：

（1）通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet實(shí)現(xiàn)與控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，根據(jù)控制操作命令開(kāi)關(guān)教室照明設(shè)備；

（2）教室內(nèi)的師生員工也可以管理教室，按下強(qiáng)制鍵后，手動(dòng)操作控制教室照明設(shè)備。

2.3 教室控制單元的設(shè)計(jì)

教室照明節(jié)能控制單元是教室照明控制系統(tǒng)中最基本也是最重要的單元，主要由AT89S52單片機(jī)、電源模塊、晶振模塊、復(fù)位模塊組成[1]，如圖1所示。

教室控制單元通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收教室現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的光照強(qiáng)度和學(xué)生人數(shù)閾值進(jìn)行開(kāi)關(guān)照明設(shè)備判斷。具體來(lái)說(shuō)，教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)根據(jù)高校自己設(shè)定的夏季作息表或冬季作息表，從光照強(qiáng)度、時(shí)間、人數(shù)和教室用途等四個(gè)方面來(lái)控制教室耗能設(shè)備的開(kāi)關(guān)，具體分為以下三方面：

（1）當(dāng)教室光線(xiàn)達(dá)到設(shè)定光照強(qiáng)度（Lx）值時(shí)，所有照明設(shè)備均不打開(kāi)；

（2）當(dāng)教室光線(xiàn)低于設(shè)定照度（Lx）值，則根據(jù)教室內(nèi)的人數(shù)和具體用途來(lái)動(dòng)態(tài)控制照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)數(shù)量和模式。例如監(jiān)測(cè)到投影儀在工作，則監(jiān)控系統(tǒng)切換成上課模式，處于教室講臺(tái)區(qū)域內(nèi)的照明設(shè)備立即關(guān)閉，講臺(tái)區(qū)域外的照明設(shè)備根據(jù)光照強(qiáng)度和學(xué)生具體分布區(qū)域情況決定開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)監(jiān)測(cè)到講臺(tái)上有人存在或有人體移動(dòng)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將自動(dòng)切換成板書(shū)教學(xué)模式，教室內(nèi)照明設(shè)備根據(jù)講臺(tái)區(qū)域的光照強(qiáng)度決定開(kāi)啟或關(guān)閉，講臺(tái)下方座位區(qū)域的照明設(shè)備根據(jù)座位區(qū)光照度的強(qiáng)弱決定是否開(kāi)關(guān)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到講臺(tái)上沒(méi)有人體存在和投影儀工作的信號(hào)時(shí)，則監(jiān)控系統(tǒng)切換成自習(xí)模式，只根據(jù)學(xué)生人數(shù)和座位區(qū)域的光照強(qiáng)度決定照明設(shè)備是否開(kāi)啟。

（3）若教室內(nèi)無(wú)人或室內(nèi)光線(xiàn)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)定照度要求時(shí)，節(jié)電裝置延時(shí)5～10 min后自動(dòng)關(guān)閉供電電源。當(dāng)教師或?qū)W生因?yàn)榻虒W(xué)需要而開(kāi)或關(guān)燈時(shí)，可以手動(dòng)操作，關(guān)掉自動(dòng)控制模式，使系統(tǒng)更加人性化。

2.4 教室內(nèi)的照明區(qū)域劃分

為了最大程度進(jìn)行教室的照明節(jié)能控制，我們以普通教室為例展開(kāi)討論，將普通教室分成若干區(qū)域，實(shí)行分區(qū)域照明。為達(dá)成這一目標(biāo)，首先我們可根據(jù)階梯大教室光照強(qiáng)度的明暗區(qū)域分布，將其劃分為幾個(gè)區(qū)域，并對(duì)每個(gè)區(qū)域采用分組照明方式。如果簡(jiǎn)單按行或列進(jìn)行分區(qū)，可能導(dǎo)致一部分區(qū)域很亮，而一部分區(qū)域很暗的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于兼顧照明和節(jié)能。因此，我們?cè)谶M(jìn)行教室照明區(qū)域的劃分時(shí)，不僅應(yīng)該充分考慮具體的教室光照強(qiáng)度的明暗情況和教室內(nèi)照明設(shè)備的數(shù)量，還要兼顧學(xué)生的學(xué)習(xí)和視力，節(jié)約用電。區(qū)域劃分如圖2所示。

在具體的教室照明控制過(guò)程中，如果我們僅僅考慮具體的教室光照強(qiáng)度和教室內(nèi)照明設(shè)備的數(shù)量，就可能出現(xiàn)教室無(wú)人但照明設(shè)備全開(kāi)的情況，因此還需要加入對(duì)人數(shù)的計(jì)算。我們可以根據(jù)教室的實(shí)際情況，設(shè)定教室的人數(shù)閾值（經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們認(rèn)為將閾值設(shè)定為 16最佳），當(dāng)教室區(qū)域光照強(qiáng)度低于300 Lx 時(shí)，教室照明控制系統(tǒng)將對(duì)教室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果無(wú)人，則不開(kāi)啟照明設(shè)備，而如果有人且人數(shù)小于閾值時(shí)，則開(kāi)啟某一區(qū)域的照明設(shè)備；當(dāng)人數(shù)大于閾值但小于2倍閾值時(shí)，則開(kāi)啟二區(qū)域的照明設(shè)備…依次類(lèi)推，直到教室內(nèi)的照明可滿(mǎn)足學(xué)生正常學(xué)習(xí)和保護(hù)視力的需要為止。

3 結(jié) 語(yǔ)

照明節(jié)能目前是全社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題，也是關(guān)乎節(jié)約型高校創(chuàng)建成敗的主要因素。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討了高校教室照明節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有針對(duì)性、可操作性、應(yīng)用性等特點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，對(duì)建立節(jié)約型學(xué)校有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]劉為芹.高校教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].聊城：聊城大學(xué)，2017.

[2]王勤，劉林.高校教室照明節(jié)能工作中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].高校后勤研究，2007（3）：40，113.

[3]伍世云，羅江，王益艷，等.基于單片機(jī)的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程， 2016，24（23）：180-182.

[4]程春.大學(xué)教室智能照明控制器及其系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[5]劉謀黎.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室照明節(jié)能方案研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（12）：77-78.

[6]牛沖麗，王濤.基于物聯(lián)網(wǎng)的大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)與節(jié)能服務(wù)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（7）：29-31.

[7]尹小龍，李財(cái)龍，尹曉海，等.教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2012（1）：39-40.

[8]蘇楚怡，黃金旭，劉灼權(quán)，等.棘突ZigBee的智能LED照明系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（7）：83-85.endprint