基于光伏檢測的節(jié)電教室電源智能控制研究

陳磊 李志軍 王飛 李春玲 田艷松

摘 要： 針對部分高校的一些教室、實驗室等公共場所存在沒有使用而日光燈持續(xù)亮等電能浪費現(xiàn)象，提出一種基于光伏檢測的教室電源節(jié)能控制新策略。利用光伏檢測和紅外識別技術(shù)，通過合理設(shè)置傳感器檢測到的太陽光強度值的大小、學(xué)生人數(shù)多少等重要指標(biāo)的分層控制閾值，結(jié)合計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)等輔助工具，實現(xiàn)對教室電源的實時控制和統(tǒng)一管理，可達到人走電斷、切實節(jié)約電量、降低能耗近18.32%的目的。

關(guān)鍵詞： 光照強度； 光伏檢測； 紅外識別； 分層控制； 節(jié)能控制； 教室電源

中圖分類號： TN245?34； TM93； TK3 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0114?04

Research on power supply intelligent control of power?saving classroom

based on photovoltaic detection

CHEN Lei1，2， LI Zhijun1， WANG Fei1， LI Chunling3， TIAN Yansong4

（1. School of Control Science and Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China；

2. Graduate school of North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China；

3. College of Electrical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063009， China；

4. Hebei Construction and Investment Renqiu Thermoelectricity Co.， Ltd.， Renqiu 062550， China）

Abstract： In allusion to the electric energy waste phenomenon that fluorescent lamps keep on without being used in some classrooms， laboratories and other public places of part of colleges and universities， a new energy?saving control strategy based on photovoltaic detection is proposed for classroom power supply. In combination with the computer and network technology， wireless communication technology and other auxiliary tools， real?time control and unified management of classroom power supply are realized by using the photovoltaic detection and infrared identification technologies， and appropriately setting the hierarchical control threshold values of important indicators such as the solar light intensity value and student number detected by the sensor. The purposes of light off upon people′s leaving， saving electricity， and reducing nearly 18.32% of energy consumption are achieved.

Keywords： illumination intensity； photovoltaic detection； infrared recognition； hierarchical control； energy?saving control； classroom power supply

在高校的一些教室、實驗室以及機關(guān)團體的部分公共場所，存在個別人走燈不滅或天氣晴好而日光燈依然工作的情況。這在短期內(nèi)對這些部門的影響可能比較小，但是從一個星期、一個月，甚至一年這樣的長時間內(nèi)的累積效應(yīng)來看，造成的損失和浪費則很是驚人。與之相關(guān)的一些調(diào)查、計算、分析和改進舉措等研究可參看本課題的前期工作[1]。需要從加強教育管理和實施先進的控制技術(shù)等多個層面來實現(xiàn)教室的節(jié)約用電，從而最大限度地減少電能的浪費。

浙江大學(xué)的賀玲等設(shè)計了一套基于單片機控制的采用恒流驅(qū)動、PWM調(diào)光方式的高亮度LED智能照明系統(tǒng)[2]。其中，光強傳感器、溫度傳感器使得LED能夠根據(jù)需要自動調(diào)節(jié)自身亮度和過熱保護作用。南華大學(xué)的胡耀斌等根據(jù)教室內(nèi)光照度高低和人數(shù)多少對燈具進行自動控制。提出的節(jié)能控制新方法可以實現(xiàn)“按需亮燈”的目的[3]。遼寧工業(yè)大學(xué)的馬永紅等結(jié)合當(dāng)前學(xué)校教室照明系統(tǒng)的控制器設(shè)計要求，從太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用特點和大功率LED的驅(qū)動特點出發(fā)，提出一種對于光伏系統(tǒng)的蓄電池防過充、過放保護的控制器制作方法[4]。長江師范學(xué)院的李焱等根據(jù)教室內(nèi)自然光照度情況、溫度和實際人數(shù)的多少，自動開啟實際所需要的日光燈和電風(fēng)扇的數(shù)量，提高了資源利用率，減少了電能的浪費[5]。湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的陳承歡等通過從高校的教務(wù)管理系統(tǒng)中提取控制數(shù)據(jù)的軟件實現(xiàn)方法，開發(fā)的電源智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對教室的電源進行智能控制[6]。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

光照強度不能直接進行測量，需要先測量出室內(nèi)光的輻射照度，再根據(jù)光照強度、輻射照度之間的關(guān)系式通過計算得出光照強度。

光敏電阻是一種無結(jié)器件，它是利用半導(dǎo)體的光致導(dǎo)電特性制成，其參數(shù)具有光譜特性、照度特性、響應(yīng)特性和溫度特性等。不同的用途對參數(shù)的要求有差別，本文主要利用其照度特性，即：外加一定電壓時，光敏電阻的光電流與照度之間的關(guān)系，其關(guān)系式如下：

[I=KUALC] （1）

式中：I為光電流；U為外加電壓；L為照度；K為比例系數(shù)；A為電壓指數(shù)，取1.1～1.2；C為照度指數(shù)，取0.5～1。根據(jù)光敏電阻的材料、尺寸、形狀等因素，K，A，C會有所不同，光照度與距離的平方成反比例關(guān)系，通常用照度與光敏電阻曲線表達其照度特性。

1.1 光的輻射照度測量

對光的輻射照度測量可選用美國TAOS公司生產(chǎn)的TSL230BR?LF傳感器[3]，它是一個可編程序的光頻轉(zhuǎn)換電子器件，由多晶硅光敏二極管、單片COMS電流頻率轉(zhuǎn)換器等組成，能把光輻射照度信號轉(zhuǎn)換成與其成正比的方波或三角波頻率?？赏ㄟ^編程序來調(diào)整靈敏度和滿量程的輸出頻率，輸出信號直接與單片機接口相連，其絕對輸出頻率誤差最大為5%。測得頻率輸出信號[f0]后，比照頻率?輻射照度關(guān)系曲線圖，可以計算得到室內(nèi)的輻射照度[Ee]。

1.2 光照強度的計算

人眼對不同波長光的響應(yīng)情況不一樣，可以用光頻光視效能來描述這種現(xiàn)象。光頻光視效能[K（λ）]與光頻輻射通量[Φe，λ]和光頻光通量[Φv，λ]有如下關(guān)系：

[K（λ）=Φv，λΦe，λ] （2）

[K（λ）]值在整個可見光區(qū)（380～780 nm）每一個波長上都不一樣，在555 nm處達其最大值，用[Km][單位：lmW或lxW·m-2]表示，如下：

[Km=683] （3）

將[K（λ）]值在峰值波長處歸一化為1，即得到表示人眼明視覺的相對值曲線[V（λ）]，如下：

[V（λ）=K（λ）Km] （4）

國際照明委員會（CIE）公布的人眼明視覺曲線圖[V（λ）]如圖1所示。

可用[V（λ）]來評價光照的輻射通量[Φe]，即光通量[Φv]，如下：

[Φv=K（λ）Φe，λdλ=KmV（λ）Φe，λdλ] （5）

所以，根據(jù)測到的輻射照度[Ee]和式（2）、式（5），結(jié)合文獻[3]中的頻率?輻射照度關(guān)系曲線，可計算求出光照強度[Ev]；然后把此值送達傳感器，和預(yù)先設(shè)置的閾值進行比較并判斷本模塊將采取的操作。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及模塊框圖設(shè)計

本文系統(tǒng)主要由多個教室里的節(jié)能控制器和總的監(jiān)控控制器兩大部分組成。它們通過市電電源、通信模塊及其他輔助線路等來實現(xiàn)各教室節(jié)能控制器與監(jiān)控器之間的網(wǎng)絡(luò)連接和信息通信。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

首先，各個教室控制器主要通過光強檢測模塊來實現(xiàn)對自然光光照度和室內(nèi)溫度的檢測[7]，在學(xué)生上課、自習(xí)或考試的時間里滿足關(guān)閉條件時，不考慮教室控制器所檢測到的其他信號狀態(tài)，即關(guān)閉教室日光燈的總開關(guān)，使本教室處于節(jié)能省電狀態(tài)。若檢測到的光強達不到關(guān)閉日光燈的條件，則需要根據(jù)人數(shù)識別模塊所探測到的學(xué)生人數(shù)多少來判斷并選定預(yù)設(shè)的動作策略。如果沒有學(xué)生，則仍然關(guān)閉日光燈總開關(guān)，若有人，結(jié)合其他輔助模塊所檢測到的學(xué)生人數(shù)等信息，根據(jù)檢測到的學(xué)生數(shù)量開啟相應(yīng)盞數(shù)的日光燈，既能滿足學(xué)生正常學(xué)習(xí)和教學(xué)等工作的需要，又能達到節(jié)約電能的效果。監(jiān)控控制器可通過顯示模塊實時瀏覽或查詢某個或所有教室的燈光開啟及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，界面友好，具有較好的先進性和便利性。在硬件設(shè)計上采用模塊化結(jié)構(gòu)的方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊框圖如圖2所示。通過對教室光照強度的感應(yīng)和人體生物信息紅外感應(yīng)，可對教室照明開關(guān)進行智能控制，實現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅的功能。

2.2 光照強度檢測模塊

光強度傳感器主要用來檢測周圍環(huán)境的光強度大小，并根據(jù)環(huán)境亮度高低來調(diào)節(jié)LED燈的亮度值或關(guān)斷LED燈。光強度傳感器對光強度實時檢測具有精度高、成本低、體積小等優(yōu)點，此外，采用數(shù)字信號輸出，其抗干擾能力也強。入射到教室或?qū)嶒炇业淖匀还廨^強時，通過控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，可適當(dāng)降低日光燈的照明亮度或者關(guān)斷日光燈電源；在自然光較弱的陰雨天或傍晚，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)來增加照明亮度。所以，光照度檢測模塊對于充分利用自然光非常重要。當(dāng)自然光符合照明要求時，光電控制裝置向PLC提供信號，系統(tǒng)拒絕向教學(xué)樓、實驗室等公共照明區(qū)供電。

2.3 人數(shù)識別模塊

通過檢測教室或?qū)嶒炇覂?nèi)人員的多少，用電設(shè)備控制器自動控制不同用電設(shè)備的通斷，達到降低能耗的目的。計數(shù)模塊一般安裝于門的內(nèi)外墻壁，為控制系統(tǒng)判斷教室是否有人提供信號。紅外探測器和門磁開關(guān)分別采集有無人、開關(guān)門等信號，并將其輸入到控制器中，通過控制器的邏輯判斷，繼電器自動控制照明回路等的開通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)節(jié)能或開關(guān)門報警等功能。

將教室的使用狀態(tài)分為上課、自習(xí)和空閑，對上課的教室，打開教室的供電總開關(guān)；對處于自習(xí)狀態(tài)的教室，通過檢測光照強度、教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)等信息來自動適時地控制教室電源的開關(guān)；而對處于空閑狀態(tài)的教室，關(guān)閉教室的供電電源，并且把教室的使用情況等信息通過電子屏幕及時予以發(fā)布[8]。同時，根據(jù)學(xué)生的實際人數(shù)開啟合適的日光燈數(shù)目，不僅可提高教室的利用效率、加快學(xué)生選擇自習(xí)室的效率，而且節(jié)省了大量的電能，減少了不必要的浪費，顯示出較高的智能化、人性化水平。

教室中人數(shù)和電源總開關(guān)開啟流程如下。由文獻[8]可知，教室和一般閱覽室光照強度的標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx。本設(shè)計中，當(dāng)室內(nèi)光照強度[Ev≥300 lx]時，關(guān)閉室內(nèi)所有日光燈。教室中人數(shù)超過5人時，且室內(nèi)光照強度[Ev]<300 lx時，允許電源總開關(guān)閉合。系統(tǒng)上電初始化后工作流程如下：

1） 各教室、實驗室人數(shù)識別裝置定時檢測教室內(nèi)人數(shù)。若連續(xù)3 min人數(shù)為0～15人時，開啟一組日光燈；16～30人，開啟二組日光燈；31～45人，開啟三組日光燈；46～60人，開啟四組日光燈；60人以上，開啟全部日光燈，轉(zhuǎn)向步驟2）；若連續(xù)3 min人數(shù)小于8人，轉(zhuǎn)向步驟5）。

2） 檢測裝置經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信向PC機發(fā)出開啟的請求。

3） PC機接到請求后，通過網(wǎng)絡(luò)通信向網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出開啟日光燈及其序號的命令。

4） 網(wǎng)絡(luò)控制器接到命令后，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器開啟被控日光燈的電源，然后轉(zhuǎn)向步驟1）。

5） 檢測裝置經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)通信向PC機發(fā)出關(guān)閉日光燈及其序號的請求。

6） PC機接到請求后，通過網(wǎng)絡(luò)通信向網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)出關(guān)閉日光燈及其序號的命令。

7） 網(wǎng)絡(luò)控制器接到命令后，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器關(guān)閉被控日光燈的電源；同時，轉(zhuǎn)向步驟1）。

2.4 紅外感知模塊

采用熱釋紅外傳感器和BISS0001紅外傳感信號處理器，配以少量元器件即可構(gòu)成被動式具有良好的信號集成處理能力的紅外熱釋電檢測模塊，加上菲涅爾透鏡后，能夠探測直線距離為5 m左右的150°圓錐范圍。紅外熱釋電傳感器一般安裝于教室吊頂?shù)闹醒雲(yún)^(qū)域，以確保傳感器安裝的位置合適、可靠的工作，達到節(jié)能與斷電保護的目的。

2.5 溫度檢測模塊

目前，高清LED燈的光電轉(zhuǎn)換效率[2]為15%～20%，大部分的電能轉(zhuǎn)換成熱能的形式通過熱傳導(dǎo)方式散發(fā)，因白熾燈是通過輻射方式散熱，LED的穩(wěn)定性易受周圍環(huán)境溫度和自身散熱等情況的影響。溫度檢測芯片主要分為模擬和數(shù)字兩大類。實驗選用精確度高、功耗低、應(yīng)用簡便的模擬芯片LM35，其測溫范圍為-55～150 ℃，精度為0.5 ℃。LM35的輸出信號是一個和溫度成正比關(guān)系的電壓值，它和MCU控制器的一個I/O口相連接。通過MCU內(nèi)部的ADC將Vout轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，隨時監(jiān)測、控制LED模塊的溫度。R1，C1對Vout起低通濾波作用。

3 實驗驗證

按照上述的系統(tǒng)思路和硬件設(shè)計模塊搭建實驗平臺。根據(jù)1年中的光照和時間之間的對應(yīng)情況，考慮到6：30—18：00之間光照強烈或比較強，在該時間段內(nèi)可采取根據(jù)光照強度大小、教室自習(xí)學(xué)生人數(shù)多少等決定是否采用市電供電等操作。為了驗證所提方法的正確性，選擇某棟教學(xué)樓的第一層的2個容量一致的教室做對比實驗，均有10組燈管（每組2只），且在學(xué)校的教室類型中占比最高。一個教室的電源采用文中的設(shè)計思路實時控制；另一個教室的電源仍采用傳統(tǒng)的依靠人工操作的方式供電和使用。下面比較二個教室的電能消耗和使用情況。課題組分別在2015年5月20日、5月28日和6月8日，在天氣分別為晴、多云和晴的情況下，測出3天中6：30—18：00之間每0.5 h的平均功率消耗對比統(tǒng)計圖，如圖3所示。

代表傳統(tǒng)教室控制模式的藍色曲線和代表智能型控制節(jié)能模式的紅色曲線在時間軸上的平均消耗功率一一對應(yīng)。由圖3可以看出：在6：30—8：30時間段內(nèi)，二個教室消耗電能功率相近；在9：30左右開始，節(jié)能教室消耗電能比傳統(tǒng)模式低；在10：30以后，節(jié)能效果逐漸明顯，11：00左右相差近100 W；最大值出現(xiàn)在14：30左右，將近240 W，節(jié)能效果最好。這和日常晴天時9：00—15：00日照好、光照較強相對應(yīng)，符合生活實際和控制系統(tǒng)設(shè)計思路。運用數(shù)學(xué)積分等模型思想，可計算出這3天節(jié)約的平均消耗功率約為588 W，節(jié)能效率為18.32%，節(jié)能效果較好，達到了實驗?zāi)康摹?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/07/27/qkimagesmoetmoet201814moet20181428-3-l.jpg"/>

4 結(jié) 論

根據(jù)光照強度的精確數(shù)學(xué)模型，利用輸入的光照強度信號、紅外檢測信號和人數(shù)多少等情況來綜合控制教室中日光燈的開啟數(shù)量及亮度，設(shè)計了節(jié)電式教室電源智能控制系統(tǒng)與裝置。在保障正常教學(xué)所需求的光照條件下，將傳統(tǒng)電源控制模式教室的平均消耗電能功率降低近18.32%，達到利用新能源節(jié)能傳統(tǒng)能耗的目的，同時，延長了教室燈具的使用壽命。本系統(tǒng)具有實時控制性、可靠安全性及運行高效性，具有較高的社會意義和應(yīng)用價值。

注：本文通訊作者為李志軍。

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