智能化照明在高校教室的應(yīng)用

趙振宇

（北京農(nóng)學(xué)院，北京 102206）

0 引言

闡述北京農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓智能照明改造前的傳統(tǒng)照明方式及存在的問(wèn)題，描述高校照明智能化改造的意義。針對(duì)改造，提出解決計(jì)數(shù)誤差的途徑和關(guān)于用電量可控制及其他的改善建議。

1 照明背景及照明智能化的意義

1.1 教學(xué)樓與圖書(shū)館照明的背景

當(dāng)前在建設(shè)生態(tài)文明、美麗中國(guó)大環(huán)境下，作為大學(xué)也必須執(zhí)行國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)內(nèi)各所大學(xué)校基本都是耗能大戶，因此節(jié)約型校園建設(shè)是學(xué)校基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)主要工作目標(biāo)之一也是難點(diǎn)之一。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，各大學(xué)也正在如火如荼進(jìn)行智慧校園建設(shè)。新時(shí)代大學(xué)在技術(shù)節(jié)能方面應(yīng)以能源供給側(cè)改革和提高能源利用效率為主線，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)應(yīng)用，逐步實(shí)現(xiàn)能源供給的信息化、智能化、便利化。高校能源供給側(cè)改革有兩個(gè)內(nèi)涵：①引進(jìn)可再生能源的供給，提高學(xué)校可再生能源的使用比例；②通過(guò)技術(shù)改造，在保障不影響舒適的情況下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的能源供給，減少無(wú)效能源的供給，避免浪費(fèi)，做到按需供能，智慧供能。

北京農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓智能化照明改造就是能源供給側(cè)改革的一次嘗試。通過(guò)技術(shù)改造，在保障照度的情況下，實(shí)現(xiàn)按需提供照明，減少無(wú)效照明供給，達(dá)到節(jié)約電能目的。

北京農(nóng)學(xué)院的教學(xué)樓B 座建筑面積1.1 萬(wàn)平米，地上五層，有165 座至245 座階梯教室共12 間，其他大小教室共36間。教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下，仍然普遍存在開(kāi)燈作業(yè)；即使室內(nèi)無(wú)人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開(kāi)啟室內(nèi)照明。夜間許多教室，即使僅有幾個(gè)學(xué)生在教室自習(xí)，室內(nèi)照明全部開(kāi)啟，不會(huì)有師生因?yàn)橹挥猩贁?shù)人而僅開(kāi)幾盞燈。長(zhǎng)明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在，可以說(shuō)無(wú)效照明供給大量存在。

改造前教學(xué)樓照明采用的是每個(gè)教室使用的是固定式的開(kāi)關(guān)面板各控制每一條線路的燈；這種傳統(tǒng)照明控制方式存在共同的缺點(diǎn)。①不夠“人性化”；②存在電能浪費(fèi)的現(xiàn)象；③耗費(fèi)人力，管理成本高。

1.2 校園智能化照明的意義

高校校園里的照明燈具數(shù)量眾多，無(wú)效照明供給量大，人工管理難度也非常大。燈具、光源（LED）的改造并不能減少無(wú)效照明供給。隨著智能照明系統(tǒng)的發(fā)展，其在節(jié)能與管理方面優(yōu)勢(shì)突出，高校把這兩種改造（燈具和智能化）相結(jié)合才可以把照明節(jié)能和管理工作做到最佳。通過(guò)智能照明控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)校園公共區(qū)域及不同功能建筑物的照明和能源管理，通過(guò)不同的場(chǎng)景模式、定時(shí)模式、感應(yīng)模式、集中控制模式等，可以對(duì)校園內(nèi)的所有照明系統(tǒng)進(jìn)行管理，達(dá)到預(yù)期節(jié)能減排及有效人性化控制管理的目標(biāo)，使校園更加“智慧”。

2 采用智能化照明系統(tǒng)的思路

智能照明市場(chǎng)，存在無(wú)線式智能照明系統(tǒng)與總線式智能照明系統(tǒng)兩種主要形式，他們各有優(yōu)劣。

2.1 無(wú)線智能照明系統(tǒng)介紹

無(wú)線型智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)采用的無(wú)線協(xié)議而分為WIFI、Zigbee、ENOCEN 和無(wú)線射頻燈等。無(wú)線智能照明系統(tǒng)，不需要設(shè)備連接總線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了眾多智能照明控制器與智能照明監(jiān)控管理中心的無(wú)線組網(wǎng)，再通過(guò)與設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)每一臺(tái)智能照明控制器在線網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系。具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線組網(wǎng)省去了布網(wǎng)絡(luò)線等各種器材和人工費(fèi)用。缺點(diǎn)是無(wú)線智能照明系統(tǒng)運(yùn)行中，其十分依賴無(wú)線協(xié)議信號(hào)，在大型建筑中，由于建筑墻面多，容易造成信號(hào)干擾，導(dǎo)致運(yùn)行照明系統(tǒng)時(shí)不穩(wěn)定。

2.2 總線式智能照明系統(tǒng)介紹

總線式智能照明控制系統(tǒng)將各設(shè)備使用現(xiàn)場(chǎng)總線連接起來(lái)形成照明系統(tǒng)的形式對(duì)照明回路進(jìn)行智能化的控制。總線式智能照明控制系統(tǒng)，具有多種控制策略，冗余度高，抗干擾性能力強(qiáng)和工作穩(wěn)定，維修簡(jiǎn)便化的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是施工布線工程量大，影響美觀。

3 FLCS 智能化照明的系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

北京農(nóng)學(xué)院出于穩(wěn)定的角度最終選擇總線式智能照明系統(tǒng)，通過(guò)招標(biāo)，最終選擇FLCS（Flexible Lighting Control System，柔性智能燈光系統(tǒng)）

3.1 FLCS 智能化照明的系統(tǒng)原理

FLCS 智能照明系統(tǒng)是在RS485 基礎(chǔ)上自主研發(fā)的總線式智能照明系統(tǒng)，可以單獨(dú)自組解決方案的同時(shí)，也可以與市場(chǎng)上不同通訊協(xié)議（包含DALI，KNX，MODBUS-TCP）的系統(tǒng)搭配，實(shí)現(xiàn)靈活多樣的行業(yè)智能化照明控制解決方案。

FLCS 智能照明系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)光驅(qū)動(dòng)器、場(chǎng)景面板、光照度傳感器、人體感應(yīng)器等各種硬件設(shè)備，還有可實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)可圖形化編程組態(tài)的軟件界面，及通過(guò)云服務(wù)可以遠(yuǎn)程下載和調(diào)試的服務(wù)。

FLCS 智能化照明是一套利用程序控制系統(tǒng)，通過(guò)通訊傳輸技術(shù)，信息智能化處理及電器控制等技術(shù)組成的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光具有高度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、場(chǎng)景設(shè)置、定時(shí)設(shè)置的功能。從照明的舒適度和控制的精細(xì)度兩方面提高建筑物的照明質(zhì)量。

3.2 FLCS 智能化照明的特點(diǎn)

FLCS 智能化照明具有安全可靠、性能優(yōu)良、系統(tǒng)成熟、維保簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)。

4 智能化照明系統(tǒng)形成機(jī)理

4.1 教學(xué)樓智能化照明系統(tǒng)

教學(xué)樓五層分別各用一個(gè)網(wǎng)關(guān)經(jīng)總線將各個(gè)教室的智能照明設(shè)備連接起來(lái)，再由監(jiān)控室的電腦通過(guò)后臺(tái)FLCS 智能照明控制軟件進(jìn)行監(jiān)控。如圖1 所示。

技術(shù)人員由中央電腦處編寫(xiě)相應(yīng)開(kāi)關(guān)燈需求的程序，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳儲(chǔ)到智能網(wǎng)關(guān)，當(dāng)每次滿足控制條件時(shí)，例如按下第一鍵智能面板時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)會(huì)將該按鍵已編寫(xiě)程序內(nèi)容數(shù)據(jù)發(fā)送到開(kāi)關(guān)模塊處，然后實(shí)現(xiàn)程序效果。

4.2 教學(xué)樓的智能照明控制方式

對(duì)于教室控制燈的方式，F(xiàn)LCS 用了多個(gè)模塊的功能來(lái)制定嚴(yán)格的判斷開(kāi)關(guān)燈創(chuàng)新綜合性方案。

（1）按人數(shù)控制。教學(xué)樓有階梯教室也有小教室，階梯教室滿座可容納200 人，而小教室則是40 到100 人，F(xiàn)LCS 智能照明系統(tǒng)采用根據(jù)課室人數(shù)決定燈光需求的方案。具體是每間教室都使用人體計(jì)數(shù)器，運(yùn)用邏輯判斷，如果滿足一個(gè)學(xué)生從教室門口進(jìn)入的條件則計(jì)數(shù)器加1，反之滿足出門的條件則計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，F(xiàn)LCS 智能照明系統(tǒng)會(huì)判定該教室的需光亮度，然后打開(kāi)相應(yīng)數(shù)量的燈具。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)數(shù)功能只有計(jì)數(shù)器是完不成的，還需要在教室門口安裝紅外對(duì)射，與計(jì)數(shù)器聯(lián)動(dòng)方可實(shí)現(xiàn)功能。北京農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓設(shè)定的控制條件是：當(dāng)紅外對(duì)射感應(yīng)到有1 個(gè)人從門口進(jìn)入教室時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)前教室會(huì)打開(kāi)1 排燈，且在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為（1～9）人情況下教室燈保持開(kāi)一排燈的狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)器為（10～29）時(shí)為開(kāi)2 排燈，為（30～49）的時(shí)候開(kāi)3 排燈，50 及以上教室燈全開(kāi)。如果說(shuō)人體計(jì)數(shù)器是一個(gè)智能、合理化使用燈光的設(shè)備，那么，紅外傳感器與照度傳感器就是在他原有的基礎(chǔ)上條件，更規(guī)范的控制燈具。紅外傳感規(guī)范了教室無(wú)人情況下燈具仍然打開(kāi)的現(xiàn)象，智能照明系統(tǒng)利用紅外傳感本身的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，觸發(fā)時(shí)為一個(gè)判定，靜置時(shí)為另一個(gè)判定，量身為教室訂制一個(gè)人在燈保持開(kāi)、人走燈關(guān)的效果。當(dāng)教室內(nèi)有學(xué)生上課時(shí)（計(jì)數(shù)器上有人數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)），教室內(nèi)燈具會(huì)保持打開(kāi)當(dāng)前需光亮度的燈具，而當(dāng)教室內(nèi)學(xué)生都離開(kāi)了（計(jì)數(shù)器歸零時(shí)），而部分燈還打開(kāi)的情況下，紅外傳感器此時(shí)無(wú)人可觸發(fā)它，它就會(huì)根據(jù)我們編好的程序延時(shí)10 s 進(jìn)行關(guān)閉燈具的動(dòng)作。

圖1 北京農(nóng)學(xué)院智能照明系統(tǒng)

（2）按朝向、采光控制。使用的照度傳感器則是充分利用自然光，在不同的環(huán)境下，通過(guò)判斷自然光照射到教室的亮度是否達(dá)到學(xué)習(xí)需光亮度的要求，若達(dá)到要求但靠窗燈具仍打開(kāi)情況下會(huì)進(jìn)行關(guān)閉燈具的動(dòng)作。

（3）FLCS 系統(tǒng)的智能面板控制。技術(shù)人員可編程開(kāi)關(guān)燈場(chǎng)景指令數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)上儲(chǔ)存，通過(guò)觸發(fā)面板上相應(yīng)的按鍵，往網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)動(dòng)作指令請(qǐng)求，再把原先編好的上課模式、考試模式以及自習(xí)模式的指令發(fā)送到該教室的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器上，實(shí)現(xiàn)其場(chǎng)景效果。智能面板是作為教室開(kāi)關(guān)燈的一個(gè)主控制來(lái)使用。

（4）時(shí)間控制。FLCS 智能照明系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校的上下課時(shí)間、休息時(shí)間給各教室設(shè)置了定時(shí)的開(kāi)關(guān)燈動(dòng)作。

（5）后臺(tái)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控。由FLCS 智能照明中央監(jiān)控軟件，連接到智能網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)已經(jīng)布局好的平面圖清楚地顯示出每間課室的燈具開(kāi)關(guān)情況以及學(xué)生數(shù)量，實(shí)時(shí)刷新?tīng)顟B(tài)，全方位管理的智能化系統(tǒng)使整個(gè)教學(xué)樓的照明煥然一新。

5 實(shí)施智能化照明后節(jié)能分析

自北京農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓使用FLCS 智能照明控制系統(tǒng)以來(lái)，取得了非?？捎^的節(jié)能效果。

教學(xué)樓在改造智能照明之前，2 個(gè)月共61 天時(shí)間里總計(jì)消耗了65 785 kW·h。智能照明改造前后耗電量見(jiàn)表1。在智能照明改造之后，同期節(jié)省用電量效果立竿見(jiàn)影，總計(jì)消耗42 256 kW·h。北京農(nóng)學(xué)院每一度電的價(jià)格為0.52 元/度。所以在去年未改造前同期產(chǎn)生電費(fèi)65 785×0.52=34 208.2元，改造后同期產(chǎn)生電費(fèi)42 256×0.52=21 973.12 元，同期智能照明改造投資回報(bào)率高達(dá)35%。

表1 北京農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓B 座智能照明改造前后耗電量

6 智能化照明的不足之處及解決問(wèn)題的辦法思路

6.1 智能化照明的不足

（1）因人體計(jì)數(shù)器在使用時(shí)過(guò)于機(jī)械化，模塊對(duì)判定人流增減有硬性要求，這種情況下會(huì)使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一點(diǎn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)上的誤差，從而導(dǎo)致影響控制燈具。

（2）紅外感應(yīng)器有會(huì)出現(xiàn)無(wú)人誤觸發(fā)開(kāi)燈現(xiàn)象，這種情況屬于感應(yīng)器靈敏程度過(guò)高導(dǎo)致。計(jì)數(shù)設(shè)備的功能是基于功能需求做出，寫(xiě)入的公式只判定加減，在判斷數(shù)據(jù)上會(huì)受一些特殊情況影響其統(tǒng)計(jì)功能。同時(shí)感應(yīng)設(shè)備受環(huán)境影響，因觸發(fā)條件或許不是人為的，但設(shè)備依然滿足到了觸發(fā)條件，從而出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象。

6.2 解決問(wèn)題的辦法思路

在分析人體計(jì)數(shù)器問(wèn)題上，發(fā)現(xiàn)了其問(wèn)題所在，主要是學(xué)生同時(shí)出入門但只計(jì)算一個(gè)人數(shù)，還有就是因聯(lián)動(dòng)人體計(jì)數(shù)器的紅外對(duì)射安裝在腿部位置，在學(xué)生出入門時(shí)有概率在擺動(dòng)雙腿過(guò)程中1 人計(jì)算成2 人的小部分情況；我們通過(guò)技術(shù)上不斷地測(cè)試，嘗試解決這種誤差，但都沒(méi)有取得非常好的減少誤差效果。因此，想出另一個(gè)思路，利用教室安裝的紅外感應(yīng)器，將誤差后導(dǎo)致的教室無(wú)人，計(jì)數(shù)器仍有少量人數(shù)統(tǒng)計(jì)使教室不關(guān)燈的情況徹底解決。其思路是通過(guò)紅外感應(yīng)器，感應(yīng)到教室無(wú)人的情況下，系統(tǒng)將人體計(jì)數(shù)器的人數(shù)統(tǒng)計(jì)清零，從而實(shí)現(xiàn)教室燈全關(guān)的效果。

（1）人體計(jì)數(shù)器不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，目前新型的存在感應(yīng)器，只要人呼吸或微小的活動(dòng)就能感知人的存在，是解決教室人數(shù)和人數(shù)變化的最佳設(shè)備，他的產(chǎn)生可以準(zhǔn)確的判斷教室的人數(shù)。

（2）用電量控制：FLCS 智能照明控制系統(tǒng)可根據(jù)使用方提出的合理化降低用電量的需求，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)分析，從燈具功率到1 間教室的耗電量做出相應(yīng)的節(jié)能方案，方案實(shí)施后耗電量可在軟件上、實(shí)際電表數(shù)上體現(xiàn)出來(lái)。

（3）學(xué)校計(jì)劃將對(duì)教室的分體空調(diào)的控制融入到FLCS 智能照明系統(tǒng)中，策劃的方案理念符合節(jié)能、智能并且便于管理。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)智能照明改造，解決了農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓大量無(wú)效照明供給問(wèn)題，節(jié)能效果明顯，同時(shí)也提升了相關(guān)的管理水平。智能照明控制系統(tǒng)利用總線系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)種類繁多的普通電纜,使照明、場(chǎng)景控制實(shí)現(xiàn)智能化,并依據(jù)外部環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)總線中設(shè)備的狀態(tài),同時(shí)可以擴(kuò)展到分體空調(diào)、中央空調(diào)等用能設(shè)備的控制，最終達(dá)到安全、節(jié)能、人性化的智慧化教學(xué)場(chǎng)所。同時(shí)未來(lái)的電氣安裝系統(tǒng)將吸取目前各類總線制智能安裝系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)更多地向樓宇自控、安全防范等其他系統(tǒng)相互滲透、相互融合，并以其更好的靈活性、易用性、可靠性、安全性，成為標(biāo)準(zhǔn)化、人性化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化的多功能網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)。

推廣大學(xué)校園智能化照明改造是有必要的、可行的。智能化照明屬于智能樓宇子系統(tǒng)，智能樓宇是智慧校園建設(shè)的范疇，隨著國(guó)內(nèi)高校節(jié)約型校園建設(shè)和智慧校園的建設(shè)的深入進(jìn)行，智能化照明因市場(chǎng)巨大、前景光明。