基于光伏检测的节电教室电源智能控制研究

陈磊 李志军 王飞 李春玲 田艳松

摘 要： 针对部分高校的一些教室、实验室等公共场所存在没有使用而日光灯持续亮等电能浪费现象，提出一种基于光伏检测的教室电源节能控制新策略。利用光伏检测和红外识别技术，通过合理设置传感器检测到的太阳光强度值的大小、学生人数多少等重要指标的分层控制阈值，结合计算机及网络技术、无线通信技术等辅助工具，实现对教室电源的实时控制和统一管理，可达到人走电断、切实节约电量、降低能耗近18.32%的目的。

关键词： 光照强度； 光伏检测； 红外识别； 分层控制； 节能控制； 教室电源

中图分类号： TN245?34； TM93； TK3 文献标识码： A 文章编号： 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、实验室以及机关团体的部分公共场所，存在个别人走灯不灭或天气晴好而日光灯依然工作的情况。这在短期内对这些部门的影响可能比较小，但是从一个星期、一个月，甚至一年这样的长时间内的累积效应来看，造成的损失和浪费则很是惊人。与之相关的一些调查、计算、分析和改进举措等研究可参看本课题的前期工作[1]。需要从加强教育管理和实施先进的控制技术等多个层面来实现教室的节约用电，从而最大限度地减少电能的浪费。

浙江大学的贺玲等设计了一套基于单片机控制的采用恒流驱动、PWM调光方式的高亮度LED智能照明系统[2]。其中，光强传感器、温度传感器使得LED能够根据需要自动调节自身亮度和过热保护作用。南华大学的胡耀斌等根据教室内光照度高低和人數多少对灯具进行自动控制。提出的节能控制新方法可以实现“按需亮灯”的目的[3]。辽宁工业大学的马永红等结合当前学校教室照明系统的控制器设计要求，从太阳能光伏系统的应用特点和大功率LED的驱动特点出发，提出一种对于光伏系统的蓄电池防过充、过放保护的控制器制作方法[4]。长江师范学院的李焱等根据教室内自然光照度情况、温度和实际人数的多少，自动开启实际所需要的日光灯和电风扇的数量，提高了资源利用率，减少了电能的浪费[5]。湖南铁道职业技术学院的陈承欢等通过从高校的教务管理系统中提取控制数据的软件实现方法，开发的电源智能控制系统可实现对教室的电源进行智能控制[6]。

1 相关理论基础

光照强度不能直接进行测量，需要先测量出室内光的辐射照度，再根据光照强度、辐射照度之间的关系式通过计算得出光照强度。

光敏电阻是一种无结器件，它是利用半导体的光致导电特性制成，其参数具有光谱特性、照度特性、响应特性和温度特性等。不同的用途对参数的要求有差别，本文主要利用其照度特性，即：外加一定电压时，光敏电阻的光电流与照度之间的关系，其关系式如下：

[I=KUALC] （1）

式中：I为光电流；U为外加电压；L为照度；K为比例系数；A为电压指数，取1.1～1.2；C为照度指数，取0.5～1。根据光敏电阻的材料、尺寸、形状等因素，K，A，C会有所不同，光照度与距离的平方成反比例关系，通常用照度与光敏电阻曲线表达其照度特性。

1.1 光的辐射照度测量

对光的辐射照度测量可选用美国TAOS公司生产的TSL230BR?LF传感器[3]，它是一个可编程序的光频转换电子器件，由多晶硅光敏二极管、单片COMS电流频率转换器等组成，能把光辐射照度信号转换成与其成正比的方波或三角波频率。可通过编程序来调整灵敏度和满量程的输出频率，输出信号直接与单片机接口相连，其绝对输出频率误差最大为5%。测得频率输出信号[f0]后，比照频率?辐射照度关系曲线图，可以计算得到室内的辐射照度[Ee]。

1.2 光照强度的计算

人眼对不同波长光的响应情况不一样，可以用光频光视效能来描述这种现象。光频光视效能[K（λ）]与光频辐射通量[Φe，λ]和光频光通量[Φv，λ]有如下关系：

[K（λ）=Φv，λΦe，λ] （2）

[K（λ）]值在整个可见光区（380～780 nm）每一个波长上都不一样，在555 nm处达其最大值，用[Km][单位：lmW或lxW·m-2]表示，如下：

[Km=683] （3）

将[K（λ）]值在峰值波长处归一化为1，即得到表示人眼明视觉的相对值曲线[V（λ）]，如下：

[V（λ）=K（λ）Km] （4）

国际照明委员会（CIE）公布的人眼明视觉曲线图[V（λ）]如图1所示。

可用[V（λ）]来评价光照的辐射通量[Φe]，即光通量[Φv]，如下：

[Φv=K（λ）Φe，λdλ=KmV（λ）Φe，λdλ] （5）

所以，根据测到的辐射照度[Ee]和式（2）、式（5），结合文献[3]中的频率?辐射照度关系曲线，可计算求出光照强度[Ev]；然后把此值送达传感器，和预先设置的阈值进行比较并判断本模块将采取的操作。

2 系统总体结构及模块框图设计

本文系统主要由多个教室里的节能控制器和总的监控控制器两大部分组成。它们通过市电电源、通信模块及其他辅助线路等来实现各教室节能控制器与监控器之间的网络连接和信息通信。

2.1 系统的总体设计思路

首先，各个教室控制器主要通过光强检测模块来实现对自然光光照度和室内温度的检测[7]，在学生上课、自习或考试的时间里满足关闭条件时，不考虑教室控制器所检测到的其他信号状态，即关闭教室日光灯的总开关，使本教室处于节能省电状态。若检测到的光强达不到关闭日光灯的条件，则需要根据人数识别模块所探测到的学生人数多少来判断并选定预设的动作策略。如果没有学生，则仍然关闭日光灯总开关，若有人，结合其他辅助模块所检测到的学生人数等信息，根据检测到的学生数量开启相应盏数的日光灯，既能满足学生正常学习和教学等工作的需要，又能达到节约电能的效果。监控控制器可通过显示模块实时浏览或查询某个或所有教室的灯光开启及相关的数据信息，界面友好，具有较好的先进性和便利性。在硬件设计上采用模块化结构的方法，系统结构模块框图如图2所示。通过对教室光照强度的感应和人体生物信息红外感应，可对教室照明开关进行智能控制，实现人来灯亮、人走灯灭的功能。

2.2 光照强度检测模块

光强度传感器主要用来检测周围环境的光强度大小，并根据环境亮度高低来调节LED灯的亮度值或关断LED灯。光强度传感器对光强度实时检测具有精度高、成本低、体积小等优点，此外，采用数字信号输出，其抗干扰能力也强。入射到教室或实验室的自然光较强时，通过控制系统的自动调节，可适当降低日光灯的照明亮度或者关断日光灯电源；在自然光较弱的阴雨天或傍晚，系统自动调节来增加照明亮度。所以，光照度检测模块对于充分利用自然光非常重要。当自然光符合照明要求时，光电控制装置向PLC提供信号，系统拒绝向教学楼、实验室等公共照明区供电。

2.3 人数识别模块

通过检测教室或实验室内人员的多少，用电设备控制器自动控制不同用电设备的通断，达到降低能耗的目的。计数模块一般安装于门的内外墙壁，为控制系统判断教室是否有人提供信号。红外探测器和门磁开关分别采集有无人、开关门等信号，并将其输入到控制器中，通過控制器的逻辑判断，继电器自动控制照明回路等的开通与关断，从而实现节能或开关门报警等功能。

将教室的使用状态分为上课、自习和空闲，对上课的教室，打开教室的供电总开关；对处于自习状态的教室，通过检测光照强度、教室内学生人数等信息来自动适时地控制教室电源的开关；而对处于空闲状态的教室，关闭教室的供电电源，并且把教室的使用情况等信息通过电子屏幕及时予以发布[8]。同时，根据学生的实际人数开启合适的日光灯数目，不仅可提高教室的利用效率、加快学生选择自习室的效率，而且节省了大量的电能，减少了不必要的浪费，显示出较高的智能化、人性化水平。

教室中人数和电源总开关开启流程如下。由文献[8]可知，教室和一般阅览室光照强度的标准值为300 lx。本设计中，当室内光照强度[Ev≥300 lx]时，关闭室内所有日光灯。教室中人数超过5人时，且室内光照强度[Ev]<300 lx时，允许电源总开关闭合。系统上电初始化后工作流程如下：

1） 各教室、实验室人数识别装置定时检测教室内人数。若连续3 min人数为0～15人时，开启一组日光灯；16～30人，开启二组日光灯；31～45人，开启三组日光灯；46～60人，开启四组日光灯；60人以上，开启全部日光灯，转向步骤2）；若连续3 min人数小于8人，转向步骤5）。

2） 检测装置经过网络通信向PC机发出开启的请求。

3） PC机接到请求后，通过网络通信向网络控制器发出开启日光灯及其序号的命令。

4） 网络控制器接到命令后，驱动相应的继电器开启被控日光灯的电源，然后转向步骤1）。

5） 检测装置经过网络通信向PC机发出关闭日光灯及其序号的请求。

6） PC机接到请求后，通过网络通信向网络控制器发出关闭日光灯及其序号的命令。

7） 网络控制器接到命令后，驱动相应的继电器关闭被控日光灯的电源；同时，转向步骤1）。

2.4 红外感知模块

采用热释红外传感器和BISS0001红外传感信号处理器，配以少量元器件即可构成被动式具有良好的信号集成处理能力的红外热释电检测模块，加上菲涅尔透镜后，能够探测直线距离为5 m左右的150°圆锥范围。红外热释电传感器一般安装于教室吊顶的中央区域，以确保传感器安装的位置合适、可靠的工作，达到节能与断电保护的目的。

2.5 温度检测模块

目前，高清LED灯的光电转换效率[2]为15%～20%，大部分的电能转换成热能的形式通过热传导方式散发，因白炽灯是通过辐射方式散热，LED的稳定性易受周围环境温度和自身散热等情况的影响。温度检测芯片主要分为模拟和数字两大类。实验选用精确度高、功耗低、应用简便的模拟芯片LM35，其测温范围为-55～150 ℃，精度为0.5 ℃。LM35的输出信号是一个和温度成正比关系的电压值，它和MCU控制器的一个I/O口相连接。通过MCU内部的ADC将Vout转换成数字量，随时监测、控制LED模块的温度。R1，C1对Vout起低通滤波作用。

3 实验验证

按照上述的系统思路和硬件设计模块搭建实验平台。根据1年中的光照和时间之间的对应情况，考虑到6：30—18：00之间光照强烈或比较强，在该时间段内可采取根据光照强度大小、教室自习学生人数多少等决定是否采用市电供电等操作。为了验证所提方法的正确性，选择某栋教学楼的第一层的2个容量一致的教室做对比实验，均有10组灯管（每组2只），且在学校的教室类型中占比最高。一个教室的电源采用文中的设计思路实时控制；另一个教室的电源仍采用传统的依靠人工操作的方式供电和使用。下面比较二个教室的电能消耗和使用情况。课题组分别在2015年5月20日、5月28日和6月8日，在天气分别为晴、多云和晴的情况下，测出3天中6：30—18：00之间每0.5 h的平均功率消耗对比统计图，如图3所示。

代表传统教室控制模式的蓝色曲线和代表智能型控制节能模式的红色曲线在时间轴上的平均消耗功率一一对应。由图3可以看出：在6：30—8：30时间段内，二个教室消耗电能功率相近；在9：30左右开始，节能教室消耗电能比传统模式低；在10：30以后，节能效果逐渐明显，11：00左右相差近100 W；最大值出现在14：30左右，将近240 W，节能效果最好。这和日常晴天时9：00—15：00日照好、光照较强相对应，符合生活实际和控制系统设计思路。运用数学积分等模型思想，可计算出这3天节约的平均消耗功率约为588 W，节能效率为18.32%，节能效果较好，达到了实验目的。

4 结 论

根据光照强度的精确数学模型，利用输入的光照强度信号、红外检测信号和人数多少等情况来综合控制教室中日光灯的开启数量及亮度，设计了节电式教室電源智能控制系统与装置。在保障正常教学所需求的光照条件下，将传统电源控制模式教室的平均消耗电能功率降低近18.32%，达到利用新能源节能传统能耗的目的，同时，延长了教室灯具的使用寿命。本系统具有实时控制性、可靠安全性及运行高效性，具有较高的社会意义和应用价值。

注：本文通讯作者为李志军。

参考文献

[1] 陈磊，孙中魁，刘海涛，等.高校教室电源管理控制新方法[J].工业C，2015（29）：348?349.

CHEN Lei， SUN Zhongkui， LIU Haitao， et al. New method of power management and control in college classrooms [J]. Industry C， 2015（29）： 348?349.

[2] 贺玲，吴建德，邓焰.基于MCU控制的HBLED智能照明系统设计[J].电源技术，2010，34（5）：509?512.

HE Ling， WU Jiande， DENG Yan. Design of intelligent HB LED illumination system based on MCU controller [J]. Chinese journal of power sources， 2010， 34（5）： 509?512.

[3] 胡耀斌，蒋彦，朱慧玲.室内大面积照明的节能控制研究[J].电气应用，2008，27（7）：43?46.

HU Yaobin， JIANG Yan， ZHU Huiling. Research of energy saving control for indoor large area lighting [J]. Electrotechnical application， 2008， 27（7）： 43?46.

[4] 马永红，于久昌.太阳能LED教室照明系统控制器的研究与设计[J].电源技术应用，2013，18（9）：25?28.

MA Yonghong， YU Jiuchang. Research and design of controller in classroom lighting system based on solar energy LED [J]. Power supply technologies and applications， 2015， 18（9）： 25?28.

[5] 李焱，李世春.网络型教室智能节能供电系统的设计[J].大众科技，2011（10）：148?149.

LI Yan， LI Shichun. Design of intelligent energy?saving power supply system in network classrooms [J]. Popular science & technology， 2011（10）： 148?149.

[6] 陈承欢，余斌.探索电源智能控制系统的软件实现方法[J].电脑开发与应用，2006，19（6）：19?20.

CHEN Chenghuan， YU Bin. Software realization approach of classroom electrical source intelligence control system [J]. Computer development & applications， 2006， 19（6）： 19?20.

[7] 杨春勇，倪文军，苏家仪，等.双轴光伏动态跟踪控制系统的设计与实现[J].中南民族大学学报（自然科学版），2013，32（4）：64?68.

YANG Chunyong， NI Wenjun， SU Jiayi， et al. Design and implementation of two?axis control system for photovoltaic dynamic tracking [J]. Journal of South?Central University for Nationalities （Natural science edition）， 2013， 32（4）： 64?68.

[8] 胡仲邦，樊冰，崔丽丽，等.高校教室空调集中控制管理方案设计[J].实验室研究与探索，2013，32（6）：371?374.

HU Zhongbang， FAN Bing， CUI Lili， et al. Design of a centralized control and management scheme for the air?conditioning system in classrooms in universities [J]. Research and exploration in laboratory， 2013， 32（6）： 371?374.

[9] 曾忆安，李英，彭建军.基于一体化智能型多媒体教室设备系统的选型[J].计算机与网络，2014（21）：54?57.

ZENG Yian， LI Ying， PENG Jianjun. Selection of the system based on the integration of intelligent multimedia classroom equipment [J]. Computer & network， 2014（21）： 54?57.

[10] 中华人民共和国建设部.建筑照明设计标准：GB 50034—2004[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

Ministry of Construction of the People′s Republic of China. Standard for design of architectural lighting： GB 50034—2004 [S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2004.