大學(xué)教室智能照明系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陳爽

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院,江蘇南通　100083)

大學(xué)教室智能照明系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陳爽

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)信息工程學(xué)院,江蘇南通100083)

目前,用于照明的電量占整個(gè)教學(xué)大樓電能消耗的40%～60%,研究節(jié)能具有非常重大的意義。本文根據(jù)學(xué)校教學(xué)區(qū)照明控制和照明質(zhì)量要求,設(shè)計(jì)了大學(xué)教室智能照明系統(tǒng)。

智能照明開關(guān)控制節(jié)能

1　研制背景及意義

傳統(tǒng)的照明控制方式由于其管理落后、舒適性差、能源浪費(fèi)、布線復(fù)雜以及燈具壽命短的缺點(diǎn)，造成了大學(xué)校園里普遍存在“長明燈”、“無人亮燈”等電能浪費(fèi)現(xiàn)象。而現(xiàn)有成型的智能照明控制系統(tǒng)在應(yīng)用中存在一些問題，需要對其作進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

學(xué)校傳統(tǒng)照明控制方式一般有三種:①在回路中串入接觸器輔助觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人工遠(yuǎn)距離控制或定時(shí)控制方式;②斷路器控制方式;③蹺板開關(guān)控制方式。

這些控制方式具有一定的局限性。方式①:太機(jī)械，如果場景變化，需要更改預(yù)設(shè)的時(shí)間點(diǎn)，就比較難以適應(yīng)，需要調(diào)整數(shù)據(jù)，使用不靈活，管理不方便;方式②:雖然控制功能簡單，投資少，線路簡單，然而如果所有的日光燈同時(shí)開關(guān)的話，耗電量大，不符合節(jié)能的要求，不能滿足特定環(huán)境下的照度要求;方式③:如果燈具由翹板開關(guān)控制，在在教室的門口需設(shè)置開關(guān)，線路繁瑣，損耗很大，很難實(shí)現(xiàn)舒適照明。以上三種方式均易造成維修的頻繁性和不必要的電能浪費(fèi)。

若將智能照明控制系統(tǒng)用于照明設(shè)計(jì)中，則能克服以上的不足。

2　設(shè)計(jì)方案

教室里是學(xué)習(xí)的主戰(zhàn)場，燈具數(shù)量多，講臺的照度要求最高。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50034-2004)，教室照度標(biāo)準(zhǔn)值為300—5001x，顯色指數(shù)＞80。采用調(diào)光控制可以完美滿足照度方面的需求，但是造價(jià)太高，因此教室照明還是采用時(shí)鐘控制和開關(guān)控制，在特定的時(shí)間段里，預(yù)設(shè)系統(tǒng)參數(shù)控制教室內(nèi)日光燈部分或者全部的開關(guān)。在窗戶的旁邊安裝光線照度傳感器，當(dāng)自然光照度超過照度預(yù)設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉部分不需要的燈具，自然光不能滿足照度需求時(shí)，由燈光補(bǔ)充。此外，多媒體教室的燈光控制可與會(huì)議系統(tǒng)的投影儀及幕布、電動(dòng)窗簾等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)打開投影儀的時(shí)候，講臺的燈具關(guān)閉、電動(dòng)窗簾自動(dòng)關(guān)閉、幕布自動(dòng)下降。廁所、電梯廳、走廊等公共區(qū)域的照明采用動(dòng)靜探測器，燈光自動(dòng)開啟關(guān)閉，人來燈開，人走燈滅，達(dá)到節(jié)能、便于管理的目的。同時(shí)應(yīng)設(shè)置并聯(lián)定位開關(guān)，以便必要時(shí)解除感應(yīng)探測功能。

2.1照明系統(tǒng)的組成

2.1.1照度傳感器的應(yīng)用

自習(xí)室照度要求較高，在窗戶的旁邊安裝光線照度傳感器，當(dāng)自然光照度超過照度預(yù)設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉部分不需要的燈具，自然光不能滿足照度需求時(shí)，由燈光補(bǔ)充。

2.1.2熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用

此模塊非常簡單，返回“1”“0”。當(dāng)環(huán)境照度不足時(shí)，有人在傳感器作用范圍內(nèi)的時(shí)候，返回高電平給單片機(jī)。此時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器，打開日光燈。從而保證了該區(qū)域的光照度。

2.1.3作息時(shí)間開關(guān)系統(tǒng)

它利用單片機(jī)的時(shí)鐘晶振計(jì)時(shí)，進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，并用LED數(shù)碼管把它顯示出來;在進(jìn)行時(shí)間計(jì)算，分每加1時(shí)，都與規(guī)定的作息時(shí)間比較，如果相等則進(jìn)行相應(yīng)開燈或者關(guān)燈動(dòng)作。

關(guān)于時(shí)鐘的設(shè)定我們拋棄傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，而選擇采用上位機(jī)來修改預(yù)設(shè)值。有關(guān)上位機(jī)在下面詳細(xì)說明。

2.2照明系統(tǒng)的控制

教室照明控制系統(tǒng)采用的是集中控制和管理、分散執(zhí)行的方式，即中央監(jiān)控中心(上層)和智能照明控制柜(下層)。各單元的調(diào)光控制互不干擾，相互獨(dú)立，自成一體，也可以通過集中管理器和信息接口，與樓宇自控系統(tǒng)連接起來，統(tǒng)一管理控制。智能照明控制的主系統(tǒng)是由主干線、集中管理器和信息接口構(gòu)成，底層是由各類調(diào)光模塊、控制面板、動(dòng)靜探測器及照度動(dòng)態(tài)檢測器構(gòu)成。主系統(tǒng)對各區(qū)域進(jìn)行信號采樣、檢測，子系統(tǒng)對各分區(qū)實(shí)施具體控制。上下層之間通過信息接口等元件來連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。控制與負(fù)載分開，控制回路采用低壓二次側(cè)小信號控制。所有的開關(guān)信號以及采集的電量信號都通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信?，F(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通常采用CBUS總線、HBS總線等，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

這里的中央監(jiān)控系統(tǒng)即上文提到的上位機(jī)，我們用LabVIEW來編寫，采用圖形化的編程語言使沒有軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的人，也能快速構(gòu)建我們所需要的工具，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量和系統(tǒng)控制。

中央監(jiān)控系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)檢測到教學(xué)樓燈具的開關(guān)狀態(tài)，以及設(shè)置作息時(shí)間(根據(jù)作息時(shí)間控制燈具的開關(guān))。

2.3機(jī)械部分

此部分設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題:如何實(shí)現(xiàn)用弱電控制強(qiáng)電，即如何用單片機(jī)控制市電，如何實(shí)現(xiàn)智能化、人機(jī)交互，即人和控制系統(tǒng)的終端進(jìn)行交互。

2.4大學(xué)教室照明系統(tǒng)的工作原理及性能分析

(1)它有一般電鈴的功能，能告訴學(xué)生老師上下課; (2)它能記錄鬧鈴每天鬧幾次，當(dāng)它鬧了一定的次數(shù)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器切斷電源;

(3)它有接受中斷服務(wù)的功能。

基本工作流程是這樣的:假如說鬧鈴一天鬧10次提示上下課(包括自習(xí)時(shí)間在內(nèi))，我們可以設(shè)置它在鬧11次后，驅(qū)動(dòng)繼電器，將連接鬧鈴的那一層電源給切斷，這樣就可以節(jié)省不必要的電能;第11次鬧是提示學(xué)生該離開教室了(鈴聲可以別樣化，頻率高點(diǎn));另外在每個(gè)教室設(shè)置一個(gè)中斷申請開關(guān)，按一下開關(guān)表示學(xué)生還想在教待1個(gè)小時(shí)，連續(xù)按兩次開關(guān)表示學(xué)生想在教室待兩個(gè)小時(shí)。開關(guān)按了幾次可以用軟件記錄，程序根據(jù)記錄的次數(shù)給幾個(gè)小時(shí)的電量延時(shí)。

3　創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)用于大學(xué)校園中，可以提供良好的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，有利于提高工作效率;有效地節(jié)約能源，大幅減少照明能耗，延長燈具壽命;實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化、智能化，集中控制、統(tǒng)一管理，減少維護(hù)工作量和費(fèi)用。

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