高等學(xué)校綠色照明節(jié)能控制的研究

李紅

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130000）

隨著我國(guó)教育水平的提高，高等學(xué)校的招生人數(shù)日益增加，高校教室照明也就有更大的需求。但目前高校師生節(jié)能意識(shí)不強(qiáng)，經(jīng)常造成人已經(jīng)離開(kāi)教室，教室燈還亮著的情況，造成巨大的資源浪費(fèi)，這樣的浪費(fèi)與當(dāng)今所倡導(dǎo)的節(jié)能理念不符。有些高校雖然采用了聲控?zé)舻?jié)能效果都不理想。黨的十六屆五中全會(huì)中提出“要加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”，這一重大戰(zhàn)略決策，建設(shè)節(jié)約型校園是教育系統(tǒng)落實(shí)這一戰(zhàn)略決策的重要舉措。針對(duì)當(dāng)前高等學(xué)校的照明現(xiàn)狀，本文提出利用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)無(wú)線通信方式建立智能綠色照明控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

綠色照明主要包括安全、舒適、高效節(jié)能、環(huán)保4 項(xiàng)指標(biāo)。其中，“安全、舒適”是指光照清晰、柔和，且不產(chǎn)生紫外線、眩光等光污染；“高效節(jié)能”是采用低耗電來(lái)獲得足夠照明，進(jìn)而減小電廠排污，實(shí)現(xiàn)環(huán)保的目的。本文以某大學(xué)的教室作為示范，結(jié)合電工電子技術(shù)、光電開(kāi)關(guān)原理、光學(xué)照明設(shè)計(jì)等研制實(shí)用化的節(jié)約型校園綠色照明系統(tǒng)。綠色照明系統(tǒng)主要包括智能中控系統(tǒng)、光照度監(jiān)測(cè)模塊、電動(dòng)百葉模塊、人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊、智能照明模塊及無(wú)線物聯(lián)信息傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 綠色照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)概念為基礎(chǔ)，針對(duì)教室綠色照明系統(tǒng)的多模塊結(jié)構(gòu)及管理分散的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中央控制系統(tǒng)軟件，建立便捷的用戶界面，研發(fā)一種多接口智能照明集中控制系統(tǒng)，以達(dá)到中央控制主機(jī)通過(guò)各類(lèi)接口，協(xié)同控制光照度監(jiān)測(cè)、電動(dòng)百葉、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、智能照明四個(gè)模塊。

2 光照度監(jiān)測(cè)模塊

由國(guó)家《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/133-90 規(guī)定可知，教室內(nèi)照度許可閾值為100～300lx。為滿足光照度使用要求，建立的光照度監(jiān)測(cè)模塊，光照度監(jiān)測(cè)模塊包括室外光照度監(jiān)測(cè)、室內(nèi)光照度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)這3 個(gè)部分。光照度監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 光照度監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1 室外光照度監(jiān)測(cè)

通過(guò)在窗外安裝光照度傳感器，記錄實(shí)時(shí)光照度值Ei（i=0,1,2···，單位：min），反饋中控系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)建模分析技術(shù)方法，采用Matlab 軟件擬合室外光照度曲線。以國(guó)家《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/133-90 規(guī)定的光照度許可閾值為基準(zhǔn)，建立室外光照度與光照度許可閾值關(guān)系模型。分析Ei 與許可閾值關(guān)系，指導(dǎo)其它模塊運(yùn)行；

2.2 室內(nèi)光照度監(jiān)測(cè)

在教室的黑板與桌面的不同位置安置光照度傳感器，采用逐點(diǎn)法，記錄實(shí)時(shí)黑板垂直光照度Ei'和桌面光照度Ei''，分析Ei'與Ei''是否在許可閾值內(nèi)，根據(jù)對(duì)測(cè)量的實(shí)時(shí)值進(jìn)行整合，以控制電動(dòng)百葉模塊的運(yùn)行情況，從而使室內(nèi)的光照強(qiáng)度發(fā)生變化。

由于教室內(nèi)深度不同，形成的光照度不均，因此在教室的典型位置上安裝光照度傳感器，布局如圖3 所示。通過(guò)I～VII 光照度傳感器采集室內(nèi)不同深度下桌面和黑板的光照度，采用Matlab 軟件擬合不同深度、位置下室內(nèi)光照度曲線，并建立光照度許可閾值與室內(nèi)光照度關(guān)系模型。在滿足室內(nèi)與室外光照度均在許可閾值范圍內(nèi)條件下，便實(shí)現(xiàn)了綠色照明。

圖3 室內(nèi)光照度傳感器擬分布圖

根據(jù)室內(nèi)與室外光照度值的對(duì)比，以及模擬模型的計(jì)算，在不滿足教室光照度的區(qū)域內(nèi)可以自動(dòng)地選擇性開(kāi)啟某個(gè)區(qū)域上的照明燈，而滿足區(qū)域光照度的區(qū)域可以不開(kāi)啟照明燈。同時(shí)可以依據(jù)室外的光照強(qiáng)度來(lái)控制電動(dòng)百葉的開(kāi)啟狀態(tài)。

3 電動(dòng)百葉模塊

當(dāng)教室內(nèi)的絕對(duì)的自然采光大于300lx 時(shí)，人眼處于非舒適狀態(tài)，不能滿足綠色照明基本指標(biāo)，因此在綠色照明節(jié)能控制系統(tǒng)中需要添加電動(dòng)百葉輔助調(diào)節(jié)室內(nèi)光照度。通過(guò)計(jì)算Ei 數(shù)據(jù)與國(guó)家規(guī)定的教室室內(nèi)光照度許可閾值差值Δ，以電動(dòng)百葉特征尺寸為基礎(chǔ)，研究電動(dòng)百葉轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ、Δ 及室內(nèi)深度三者之間的關(guān)系，建立函數(shù)模型，從而更好地配合其它模塊工作，產(chǎn)生的指令傳輸過(guò)程如圖4 所示。

圖4 電動(dòng)百葉運(yùn)行程序

通過(guò)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)百葉的角度不同來(lái)調(diào)節(jié)教室室內(nèi)的照度，圖5是電動(dòng)百葉轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖，其中，Z 軸是百葉旋轉(zhuǎn)軸；X 軸是與窗邊平行的方向，設(shè)右為正方向；百葉底邊與X 軸正方向的夾角為θ。分析θ、Δ 及室內(nèi)深度三者的函數(shù)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型。從而智能中控系統(tǒng)可以控制電動(dòng)百葉轉(zhuǎn)動(dòng)，均衡室內(nèi)照度，適于學(xué)生健康用眼。當(dāng)室外光照強(qiáng)度不是很大，教室內(nèi)的光照強(qiáng)度不滿足綠色照明要求時(shí)，電動(dòng)百葉通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析不動(dòng)作，保持開(kāi)窗狀態(tài)。當(dāng)室外光照強(qiáng)度不很大，教室內(nèi)的光照強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，電動(dòng)百葉通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析開(kāi)始動(dòng)作，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同控制電動(dòng)百葉的旋轉(zhuǎn)角度不同，從而使室內(nèi)的光照強(qiáng)度滿足要求。

圖5 電動(dòng)百葉轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

4 人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊

在高校綠色照明控制系統(tǒng)中，除了根據(jù)室內(nèi)的光照度來(lái)控制教室照明之外，還要結(jié)合教室中是否有人員以及人員所在位置和人數(shù)，進(jìn)行區(qū)域性的控制教室室內(nèi)的照明燈的點(diǎn)亮和熄滅。系統(tǒng)將熱釋電紅外傳感器安裝在教室門(mén)上方，統(tǒng)計(jì)往來(lái)教室的人員人數(shù)；在教室內(nèi)不同區(qū)域分散放置若干傳感器，監(jiān)測(cè)人員室內(nèi)位置，將監(jiān)測(cè)到的信息送到智能中控系統(tǒng)，反饋亮燈情況，觸發(fā)其它模塊工作，其信息傳輸過(guò)程如圖6 所示。

圖6 人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊程序

圖7 是人數(shù)統(tǒng)計(jì)傳感器分布圖，①～④號(hào)是熱釋電紅外傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)出并統(tǒng)計(jì)人數(shù)，由于教室存在多門(mén)，上、下課學(xué)生涌入、涌出和緊急情況要求快速撤離的情況，在每個(gè)門(mén)的上方安裝兩個(gè)熱釋電紅外傳感器，該傳感器能根據(jù)人員進(jìn)出方向輸出正負(fù)不同開(kāi)始的正弦波，將傳感器輸出的正弦波經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大、比較后傳入智能中控系統(tǒng)，從而統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)。⑤～⑩號(hào)傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)人員位置，把照明燈同時(shí)分成六個(gè)區(qū)域，在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，如果教室內(nèi)的光照強(qiáng)度不滿足要求，并且通過(guò)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到該區(qū)域有人員時(shí)，將監(jiān)測(cè)到的信息傳入智能中控系統(tǒng)，反饋亮燈情況，控制各個(gè)燈的開(kāi)關(guān)情況。

圖7 熱釋電紅外傳感器擬分布圖

5 智能照明模塊

綠色照明節(jié)能控制系統(tǒng)在光源的選擇上也要具有節(jié)能型。系統(tǒng)選用高光效光源，采用CAD、LightTools 等設(shè)計(jì)軟件，模擬仿真照明系統(tǒng)光線分布情況，優(yōu)化配置光源陣列，提高光源的光學(xué)性能與價(jià)格比。運(yùn)用啟動(dòng)電壓低、噪聲小、溫升低、重量輕、無(wú)閃頻、自身功耗低的電子鎮(zhèn)流器，大大提高系統(tǒng)節(jié)能效果。確定高效光源基礎(chǔ)上，運(yùn)用LightTools 光學(xué)軟件模擬照明系統(tǒng)光學(xué)分布，采用CAD 軟件仿真光源分布情況，聯(lián)合優(yōu)質(zhì)性能的電子鎮(zhèn)流器，獲得最優(yōu)化光源照明分布模塊。

6 通信協(xié)議選擇

各模塊之間的通信采用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)和有線通信相結(jié)合的方式進(jìn)行，比較ZigBee、RS485 等現(xiàn)有通信協(xié)議特性，確定ZigBee 和RS485 協(xié)議分別適用于小區(qū)域和大區(qū)域的系統(tǒng)應(yīng)用。在智能中控系統(tǒng)與光照度監(jiān)測(cè)、電動(dòng)百葉、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、智能照明模塊的大區(qū)域中采用RS485 通信協(xié)議，在各個(gè)智能照明模塊采用ZigBee 無(wú)線通信協(xié)議。選擇適宜的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種多接口、智能照明集中控制系統(tǒng)，以及與之相匹配的用戶界面。在選擇適宜的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一種多接口、智能照明集中控制系統(tǒng)，以及與之相匹配的用戶界面，使電信號(hào)與數(shù)字信號(hào)可迅速、高效的轉(zhuǎn)換傳輸，最終實(shí)現(xiàn)綠色照明的智能化控制。

7 結(jié)論

本系統(tǒng)以電氣智能化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)路線，通過(guò)光學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)建立最優(yōu)的高校綠色照明節(jié)能控制模型，構(gòu)建一套智能采光控制系統(tǒng)，系統(tǒng)初智能控光之外，也具備了傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)燈的設(shè)計(jì)可靈活對(duì)教室燈光進(jìn)行管理。通過(guò)前期小樣品教室采光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在綠色照明節(jié)能控制方面提出新的構(gòu)建思想及理論模型。通過(guò)傳感器采集人員密度分布，構(gòu)建一套新技術(shù)數(shù)學(xué)模型以適應(yīng)綠色照明及高新技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。