智能化照明在高校教室的应用

赵振宇

（北京农学院，北京 102206）

0 引言

阐述北京农学院教学楼智能照明改造前的传统照明方式及存在的问题，描述高校照明智能化改造的意义。针对改造，提出解决计数误差的途径和关于用电量可控制及其他的改善建议。

1 照明背景及照明智能化的意义

1.1 教学楼与图书馆照明的背景

当前在建设生态文明、美丽中国大环境下，作为大学也必须执行国家战略，国内各所大学校基本都是耗能大户，因此节约型校园建设是学校基础运营主要工作目标之一也是难点之一。随着大数据、物联网、人工智能等技术的发展，各大学也正在如火如荼进行智慧校园建设。新时代大学在技术节能方面应以能源供给侧改革和提高能源利用效率为主线，结合物联网、大数据、人工智能技术应用，逐步实现能源供给的信息化、智能化、便利化。高校能源供给侧改革有两个内涵：①引进可再生能源的供给，提高学校可再生能源的使用比例；②通过技术改造，在保障不影响舒适的情况下，实现精准的能源供给，减少无效能源的供给，避免浪费，做到按需供能，智慧供能。

北京农学院教学楼智能化照明改造就是能源供给侧改革的一次尝试。通过技术改造，在保障照度的情况下，实现按需提供照明，减少无效照明供给，达到节约电能目的。

北京农学院的教学楼B 座建筑面积1.1 万平米，地上五层，有165 座至245 座阶梯教室共12 间，其他大小教室共36间。教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，室内照明全部开启，不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在，可以说无效照明供给大量存在。

改造前教学楼照明采用的是每个教室使用的是固定式的开关面板各控制每一条线路的灯；这种传统照明控制方式存在共同的缺点。①不够“人性化”；②存在电能浪费的现象；③耗费人力，管理成本高。

1.2 校园智能化照明的意义

高校校园里的照明灯具数量众多，无效照明供给量大，人工管理难度也非常大。灯具、光源（LED）的改造并不能减少无效照明供给。随着智能照明系统的发展，其在节能与管理方面优势突出，高校把这两种改造（灯具和智能化）相结合才可以把照明节能和管理工作做到最佳。通过智能照明控制系统，可以实现整个校园公共区域及不同功能建筑物的照明和能源管理，通过不同的场景模式、定时模式、感应模式、集中控制模式等，可以对校园内的所有照明系统进行管理，达到预期节能减排及有效人性化控制管理的目标，使校园更加“智慧”。

2 采用智能化照明系统的思路

智能照明市场，存在无线式智能照明系统与总线式智能照明系统两种主要形式，他们各有优劣。

2.1 无线智能照明系统介绍

无线型智能照明控制系统根据采用的无线协议而分为WIFI、Zigbee、ENOCEN 和无线射频灯等。无线智能照明系统，不需要设备连接总线运行，实现了众多智能照明控制器与智能照明监控管理中心的无线组网，再通过与设备现场每一台智能照明控制器在线网络通信联系。具有设计简单，安装、维护方便等优点，无线组网省去了布网络线等各种器材和人工费用。缺点是无线智能照明系统运行中，其十分依赖无线协议信号，在大型建筑中，由于建筑墙面多，容易造成信号干扰，导致运行照明系统时不稳定。

2.2 总线式智能照明系统介绍

总线式智能照明控制系统将各设备使用现场总线连接起来形成照明系统的形式对照明回路进行智能化的控制。总线式智能照明控制系统，具有多种控制策略，冗余度高，抗干扰性能力强和工作稳定，维修简便化的优点。缺点是施工布线工程量大，影响美观。

3 FLCS 智能化照明的系统原理及特点

北京农学院出于稳定的角度最终选择总线式智能照明系统，通过招标，最终选择FLCS（Flexible Lighting Control System，柔性智能灯光系统）

3.1 FLCS 智能化照明的系统原理

FLCS 智能照明系统是在RS485 基础上自主研发的总线式智能照明系统，可以单独自组解决方案的同时，也可以与市场上不同通讯协议（包含DALI，KNX，MODBUS-TCP）的系统搭配，实现灵活多样的行业智能化照明控制解决方案。

FLCS 智能照明系统包括开关驱动器、调光驱动器、场景面板、光照度传感器、人体感应器等各种硬件设备，还有可实现整个控制系统可图形化编程组态的软件界面，及通过云服务可以远程下载和调试的服务。

FLCS 智能化照明是一套利用程序控制系统，通过通讯传输技术，信息智能化处理及电器控制等技术组成的分布式控制系统，实现对灯光具有高度的强弱调节、场景设置、定时设置的功能。从照明的舒适度和控制的精细度两方面提高建筑物的照明质量。

3.2 FLCS 智能化照明的特点

FLCS 智能化照明具有安全可靠、性能优良、系统成熟、维保简捷等特点。

4 智能化照明系统形成机理

4.1 教学楼智能化照明系统

教学楼五层分别各用一个网关经总线将各个教室的智能照明设备连接起来，再由监控室的电脑通过后台FLCS 智能照明控制软件进行监控。如图1 所示。

图1 北京农学院智能照明系统

技术人员由中央电脑处编写相应开关灯需求的程序，通过TCP/IP 协议将数据传储到智能网关，当每次满足控制条件时，例如按下第一键智能面板时，智能网关会将该按键已编写程序内容数据发送到开关模块处，然后实现程序效果。

4.2 教学楼的智能照明控制方式

对于教室控制灯的方式，FLCS 用了多个模块的功能来制定严格的判断开关灯创新综合性方案。

（1）按人数控制。教学楼有阶梯教室也有小教室，阶梯教室满座可容纳200 人，而小教室则是40 到100 人，FLCS 智能照明系统采用根据课室人数决定灯光需求的方案。具体是每间教室都使用人体计数器，运用逻辑判断，如果满足一个学生从教室门口进入的条件则计数器加1，反之满足出门的条件则计数器减1，当教室内人数达到一定数量的时候，FLCS 智能照明系统会判定该教室的需光亮度，然后打开相应数量的灯具。要实现这个计数功能只有计数器是完不成的，还需要在教室门口安装红外对射，与计数器联动方可实现功能。北京农学院教学楼设定的控制条件是：当红外对射感应到有1 个人从门口进入教室时，计数器加1，当前教室会打开1 排灯，且在计数器计数为（1～9）人情况下教室灯保持开一排灯的状态，当计数器为（10～29）时为开2 排灯，为（30～49）的时候开3 排灯，50 及以上教室灯全开。如果说人体计数器是一个智能、合理化使用灯光的设备，那么，红外传感器与照度传感器就是在他原有的基础上条件，更规范的控制灯具。红外传感规范了教室无人情况下灯具仍然打开的现象，智能照明系统利用红外传感本身的产品技术特点，触发时为一个判定，静置时为另一个判定，量身为教室订制一个人在灯保持开、人走灯关的效果。当教室内有学生上课时（计数器上有人数数据时），教室内灯具会保持打开当前需光亮度的灯具，而当教室内学生都离开了（计数器归零时），而部分灯还打开的情况下，红外传感器此时无人可触发它，它就会根据我们编好的程序延时10 s 进行关闭灯具的动作。

（2）按朝向、采光控制。使用的照度传感器则是充分利用自然光，在不同的环境下，通过判断自然光照射到教室的亮度是否达到学习需光亮度的要求，若达到要求但靠窗灯具仍打开情况下会进行关闭灯具的动作。

（3）FLCS 系统的智能面板控制。技术人员可编程开关灯场景指令数据到网关上储存，通过触发面板上相应的按键，往网关发送一个动作指令请求，再把原先编好的上课模式、考试模式以及自习模式的指令发送到该教室的开关驱动器上，实现其场景效果。智能面板是作为教室开关灯的一个主控制来使用。

（4）时间控制。FLCS 智能照明系统根据学校的上下课时间、休息时间给各教室设置了定时的开关灯动作。

（5）后台计算机的监控。由FLCS 智能照明中央监控软件，连接到智能网关，再通过已经布局好的平面图清楚地显示出每间课室的灯具开关情况以及学生数量，实时刷新状态，全方位管理的智能化系统使整个教学楼的照明焕然一新。

5 实施智能化照明后节能分析

自北京农学院教学楼使用FLCS 智能照明控制系统以来，取得了非常可观的节能效果。

教学楼在改造智能照明之前，2 个月共61 天时间里总计消耗了65 785 kW·h。智能照明改造前后耗电量见表1。在智能照明改造之后，同期节省用电量效果立竿见影，总计消耗42 256 kW·h。北京农学院每一度电的价格为0.52 元/度。所以在去年未改造前同期产生电费65 785×0.52=34 208.2元，改造后同期产生电费42 256×0.52=21 973.12 元，同期智能照明改造投资回报率高达35%。

表1 北京农学院教学楼B 座智能照明改造前后耗电量

6 智能化照明的不足之处及解决问题的办法思路

6.1 智能化照明的不足

（1）因人体计数器在使用时过于机械化，模块对判定人流增减有硬性要求，这种情况下会使计数器产生一点人数统计上的误差，从而导致影响控制灯具。

（2）红外感应器有会出现无人误触发开灯现象，这种情况属于感应器灵敏程度过高导致。计数设备的功能是基于功能需求做出，写入的公式只判定加减，在判断数据上会受一些特殊情况影响其统计功能。同时感应设备受环境影响，因触发条件或许不是人为的，但设备依然满足到了触发条件，从而出现误触发现象。

6.2 解决问题的办法思路

在分析人体计数器问题上，发现了其问题所在，主要是学生同时出入门但只计算一个人数，还有就是因联动人体计数器的红外对射安装在腿部位置，在学生出入门时有概率在摆动双腿过程中1 人计算成2 人的小部分情况；我们通过技术上不断地测试，尝试解决这种误差，但都没有取得非常好的减少误差效果。因此，想出另一个思路，利用教室安装的红外感应器，将误差后导致的教室无人，计数器仍有少量人数统计使教室不关灯的情况彻底解决。其思路是通过红外感应器，感应到教室无人的情况下，系统将人体计数器的人数统计清零，从而实现教室灯全关的效果。

（1）人体计数器不可避免会产生误差，目前新型的存在感应器，只要人呼吸或微小的活动就能感知人的存在，是解决教室人数和人数变化的最佳设备，他的产生可以准确的判断教室的人数。

（2）用电量控制：FLCS 智能照明控制系统可根据使用方提出的合理化降低用电量的需求，通过一系列的数据分析，从灯具功率到1 间教室的耗电量做出相应的节能方案，方案实施后耗电量可在软件上、实际电表数上体现出来。

（3）学校计划将对教室的分体空调的控制融入到FLCS 智能照明系统中，策划的方案理念符合节能、智能并且便于管理。

7 结语

通过智能照明改造，解决了农学院教学楼大量无效照明供给问题，节能效果明显，同时也提升了相关的管理水平。智能照明控制系统利用总线系统代替传统种类繁多的普通电缆,使照明、场景控制实现智能化,并依据外部环境的变化自动调节总线中设备的状态,同时可以扩展到分体空调、中央空调等用能设备的控制，最终达到安全、节能、人性化的智慧化教学场所。同时未来的电气安装系统将吸取目前各类总线制智能安装系统的优点，通过更多地向楼宇自控、安全防范等其他系统相互渗透、相互融合，并以其更好的灵活性、易用性、可靠性、安全性，成为标准化、人性化、分散化、网络化的多功能网络集成式全分布控制系统。

推广大学校园智能化照明改造是有必要的、可行的。智能化照明属于智能楼宇子系统，智能楼宇是智慧校园建设的范畴，随着国内高校节约型校园建设和智慧校园的建设的深入进行，智能化照明因市场巨大、前景光明。