智能照明在电工实习教学中的实践

2013-05-16赵春锋范小兰汪敬华张世鸿

实验室研究与探索 2013年8期

赵春锋，范小兰，汪敬华，张世鸿

（1.上海工程技术大学工程实训中心;2.东华大学信息科学与技术学院，上海 201620）

0 引言

照明控制系统是智能家居的核心组成部分，决定了家庭自动化系统的整体能力。智能照明控制系统是集多种照明控制方式、现代化数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。它的出现和发展，不仅可以满足现代建筑中的照明需求，提升照明环境品质，还可以充分利用和节约能源，使建筑物更加节能、环保。对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利、绿色的生活空间有着非常重要的意义。从发展趋势看，新建筑均会实现一定程度的智能照明，智能照明系统的日益普及将是一种必然，在未来，没有智能照明系统的住宅将不合时代潮流。

电工实习是面向全校工科学生开设的实践课程，是学生在校内所接受的比较全面的具有工程训练性质的实践性教学环节之一。电工实习能使学生了解相关技术的发展前沿，培养学生动手能力和工程实践能力，为后续课程的学习及专业发展方向的定位奠定了良好的基础。为此，实习教学在内容安排上尽量做到在有限的时间里让学生学到尽可能多的知识和技能，通过直接的工程实践训练来培养学生的实践能力，进而培养创新精神。照明线路安装与调试一直是高校电工实习中的重要环节［1-4］，随着技术的发展，应用型本科人才的知识结构、层次结构应紧跟当今电工新技术发展的结果。因此，我校作为卓越工程师计划的试点单位，在电工实习中照明线路安装与调试实践模块引入智能照明控制系统，引领学生紧跟电工新技术的发展与应用，普及电工新技术智能照明及智能家居的一些电工新技术的实践常识，提高当代大学生的电工技术综合素质，适应现代化建设的需求，培养工科大学生的创新能力以及工程实践能力。对学生后续课程的学习以及毕业后所从事的工作甚至将来的现代化生活将产生重要影响。

1 智能照明实验室建设

1.1 智能照明实验室硬件条件

我校为配合卓越工程师计划，于2011年底建设智能照明控制实验室，以电工实习基础教学为目的，通过对各类智能照明电气元件的认识、接线、组装、编程和调试，进行大量的实际操作，从而提高了学生的动手能力和解决实际问题的能力。为了实现智能照明控制实训教学要求，将整个实验室分为2个功能区域，分别为讲课区和实训区，实训区由两居室样板房和六套实训台组成。图1为智能照明实验室平面布置示意图，图2为智能照明实验室现场实景。在两居室样板房内设置筒灯、荧光灯等多种灯具，灯具的数量和布放位置能够同时满足模拟小型会议室、办公室、客厅、卧室等不同场合多种灯光场景的需要，使学生切实体会真实的控制场景。

图1 智能照明实验室平面布置示意图

1.2 智能照明KNX控制系统介绍

实训区的两居室样板房及实训台装置智能照明控制系统均采用KNX协议控制系统。在1999年5月，欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex协会，提出了KNX协议，采用KNX协议的厂家众多，例如施耐德、西门子、ABB、南京天朔等，在楼宇自动化和智能照明控制网络中应用广泛。我校智能照明实验室采用Schneider施耐德生产的元器件，智能照明控制实训装置系统示意图如图3所示。每套实训装置均配有网络电源模块、开关执行器、调光执行器、窗帘/开关驱动器、USB数据接口、多功能按钮开关、移动感应器、气象感应器、监控编程计算机、时钟管理器等部件组成。所有单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，由信号总线连接成网络，每个单元均设置唯一的单元地址，并使用ETS软件设定其功能，通过输出单元控制各照明回路负载，对白炽灯、荧光灯等多种光源进行开关或调光，对窗帘开度进行控制。通过电脑编程的各元件既可独立完成诸如开关、调光、控制等工作，又可根据要求进行不同组合，从而实现不增加元件数量而功能却可灵活改变的效果，同时又可通过中控电脑进行本地或远程集中监视和控制［5-7］。

图2 智能照明实验室实景

图3 智能照明控制实训装置系统示意图

2 智能照明控制在电工实习中的教学实践

2.1 实践教学内容安排

智能照明常用的控制方式有预设场景控制、群组组合控制、定时控制、光感探头控制、就地控制、远程控制、图示化监控、应急处理、日程计划安排等。具体内容为：①预设场景控制。用户预设多种场景，按动一个按键，即可调用需要的场景。②群组组合控制。可设定一个按键，对多个照明回路进行灯光控制，即一键可控制整个场所的照明开关。③ 定时控制。根据预先设定的时间，触发相应的场景，使灯光打开或关闭。④光感探头控制。根据光感探头探测到的照度，控制照明场所相关灯具的打开或关闭。靠近外窗的灯具可采用光感探头，根据天然光的亮度进行开/关，以节约用电。⑤ 就地控制。一般情况下，控制过程自动进行。在某些情况下，可使用控制面板来强制调用需要的照明场景模式。⑥应急处理。在接收到安保系统、消防系统的警报后，能自动将指定区域照明全部打开。⑦日程计划安排。可设定每天不同时间段的照明场景状态，并将场景调用情况进行记录、打印输出，方便管理。结合卓越计划试点班级的实际教学情况，本着普及智能照明这一电工新技术，着力提高工程创新能力培养，制定智能照明控制实训项目如表1所示［8-9］。

表1 智能照明控制实训项目表

智能照明控制实训教学内容分为基础实践项目和任务驱动型实践项目两种。基础实践内容分为照明配电板的安装、智能家居控制器件的认识与实践、两地控制及常用照明电路的安装、智能调光控制线路的安装与调试、窗帘自动控制线路的安装与调试5个实训内容，5个模块内容相辅相成，内容循序渐进。实训项目1使学生的照明电路读图、电工常用工具得到应用和锻炼，认知照明开关、插座的规格及选用原则。实训项目2使学生了解智能照明元器件的功能和作用，电路接线方法，以及熟悉ETS软件使用及器件配置方法。实训项目3、4、5通过智能器件的实际安装、接线、软件设置及调试，掌握普通照明控制线路与智能照明控制线路之间的差异，掌握开关模块、调光模块、窗帘控制模块与智能传感器的线路安装及软件配置，实现基于智能照明总线的照明开关与调光控制、窗帘自动线路。

任务驱动型实践项目实训时将班级分组，根据实际情况每个小组3～6名同学，实训项目6智能家居的场景控制与调试又分为：①小型会议室的照明设计与控制，②起居室照明设计与控制，③ 客厅照明设计与控制。实训项目7安防控制线路的安装与调试，要求智能照明控制系统可与安防实现通讯联动，当发生火警或入侵报警时，联动报警区域灯光并向上级报警，又分为：①典型两居室的安防控制线路的安装与调试;②典型办公室的安防控制线路的安装与调试。实训时，根据专业和学生兴趣不同，小组完成一个任务驱动型实践项目，学生需要查阅图书、厂家等资料，根据讲义中项目要求完成电路设计，器件选型，接线，编程及调试。首先，需要学生根据空间平面图设计现场基本照明布灯图及照明控制方案;其次，设计基于智能照明器件的照明电器原理图，照明控制柜安装接线图，进行照明配电线路的设计;再次，进行照明线路的安装，布线槽、控制模块、照明灯具的安装，并对安装后的器件进行电气线路接线，线路检查确认;然后，才可进行照明控制系统智能器件编程等［10-13］，完成整理调试。

2.2 教学成效

通过在电工实习照明模块中引入智能照明控制系统的教学改革和探索，在实验室现场教学，将理论教学与实践教学有机地结合，教学中将基础实践内容和任务驱动型实践项目有机结合，先基础后综合设计，引导学生自主学习，自主操作，极大地提高了学生的学习兴趣，使学生在学习和掌握KNX总线基本理论知识、智能器件编程的同时，获得智能照明控制系统较全面的训练，提高了智能照明新技术的应用能力，使教、学、用达到了统一。具备分析与解决问题的能力、实际操作技能和工程应用能力，达到掌握智能照明专业技能的目的。

3 结语

电工实习是实践教学过程的一个重要环节，是学生巩固电工所学理论知识、培养专业技能和实际工作能力的重要课程，是学生提高动手能力、缩短与工程技术人员差距的有效途径。与传统照明相比，智能照明可达到安全、节能、舒适、高效的目的其先进性和优越性勿庸质疑。近些年，随着国民经济的快速发展，智能照明行业迅速发展，家居领域的智能照明应用有望得以普及。智能照明控制实验室的建立，引领学生紧跟电工新技术的发展与应用，让相关专业学生对智能照明控制系统的具体应用有了直观的认识和了解，通过实践，让学生学习和掌握智能照明系统的应用操作和场景设计，增强了他们的动手能力、创新能力，培养了他们的学习积极性，提高了当代大学生的电工技术综合素质［14-16］。

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