高等学校绿色照明节能控制的研究

李红

（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林 长春130000）

随着我国教育水平的提高，高等学校的招生人数日益增加，高校教室照明也就有更大的需求。但目前高校师生节能意识不强，经常造成人已经离开教室，教室灯还亮着的情况，造成巨大的资源浪费，这样的浪费与当今所倡导的节能理念不符。有些高校虽然采用了声控灯但节能效果都不理想。党的十六届五中全会中提出“要加快建设资源节约型、环境友好型社会”，这一重大战略决策，建设节约型校园是教育系统落实这一战略决策的重要举措。针对当前高等学校的照明现状，本文提出利用无线物联网技术，通过无线通信方式建立智能绿色照明控制系统。

1 系统方案

绿色照明主要包括安全、舒适、高效节能、环保4 项指标。其中，“安全、舒适”是指光照清晰、柔和，且不产生紫外线、眩光等光污染；“高效节能”是采用低耗电来获得足够照明，进而减小电厂排污，实现环保的目的。本文以某大学的教室作为示范，结合电工电子技术、光电开关原理、光学照明设计等研制实用化的节约型校园绿色照明系统。绿色照明系统主要包括智能中控系统、光照度监测模块、电动百叶模块、人数统计模块、智能照明模块及无线物联信息传感器，系统结构图如图1 所示。

图1 绿色照明系统结构图

系统以物联网概念为基础，针对教室绿色照明系统的多模块结构及管理分散的问题，设计中央控制系统软件，建立便捷的用户界面，研发一种多接口智能照明集中控制系统，以达到中央控制主机通过各类接口，协同控制光照度监测、电动百叶、人数统计、智能照明四个模块。

2 光照度监测模块

由国家《民用建筑照明设计标准》GB/133-90 规定可知，教室内照度许可阈值为100～300lx。为满足光照度使用要求，建立的光照度监测模块，光照度监测模块包括室外光照度监测、室内光照度监测、数据统计这3 个部分。光照度监测模块结构图如图2 所示。

图2 光照度监测模块结构图

2.1 室外光照度监测

通过在窗外安装光照度传感器，记录实时光照度值Ei（i=0,1,2···，单位：min），反馈中控系统，运用计算机数学建模分析技术方法，采用Matlab 软件拟合室外光照度曲线。以国家《民用建筑照明设计标准》GB/133-90 规定的光照度许可阈值为基准，建立室外光照度与光照度许可阈值关系模型。分析Ei 与许可阈值关系，指导其它模块运行；

2.2 室内光照度监测

在教室的黑板与桌面的不同位置安置光照度传感器，采用逐点法，记录实时黑板垂直光照度Ei'和桌面光照度Ei''，分析Ei'与Ei''是否在许可阈值内，根据对测量的实时值进行整合，以控制电动百叶模块的运行情况，从而使室内的光照强度发生变化。

由于教室内深度不同，形成的光照度不均，因此在教室的典型位置上安装光照度传感器，布局如图3 所示。通过I～VII 光照度传感器采集室内不同深度下桌面和黑板的光照度，采用Matlab 软件拟合不同深度、位置下室内光照度曲线，并建立光照度许可阈值与室内光照度关系模型。在满足室内与室外光照度均在许可阈值范围内条件下，便实现了绿色照明。

图3 室内光照度传感器拟分布图

根据室内与室外光照度值的对比，以及模拟模型的计算，在不满足教室光照度的区域内可以自动地选择性开启某个区域上的照明灯，而满足区域光照度的区域可以不开启照明灯。同时可以依据室外的光照强度来控制电动百叶的开启状态。

3 电动百叶模块

当教室内的绝对的自然采光大于300lx 时，人眼处于非舒适状态，不能满足绿色照明基本指标，因此在绿色照明节能控制系统中需要添加电动百叶辅助调节室内光照度。通过计算Ei 数据与国家规定的教室室内光照度许可阈值差值Δ，以电动百叶特征尺寸为基础，研究电动百叶转动角度θ、Δ 及室内深度三者之间的关系，建立函数模型，从而更好地配合其它模块工作，产生的指令传输过程如图4 所示。

图4 电动百叶运行程序

通过旋转电动百叶的角度不同来调节教室室内的照度，图5是电动百叶转动示意图，其中，Z 轴是百叶旋转轴；X 轴是与窗边平行的方向，设右为正方向；百叶底边与X 轴正方向的夹角为θ。分析θ、Δ 及室内深度三者的函数关系，建立数学模型。从而智能中控系统可以控制电动百叶转动，均衡室内照度，适于学生健康用眼。当室外光照强度不是很大，教室内的光照强度不满足绿色照明要求时，电动百叶通过数据统计分析不动作，保持开窗状态。当室外光照强度不很大，教室内的光照强度过高时，电动百叶通过数据统计分析开始动作，根据数据的不同控制电动百叶的旋转角度不同，从而使室内的光照强度满足要求。

图5 电动百叶转动示意图

4 人数统计模块

在高校绿色照明控制系统中，除了根据室内的光照度来控制教室照明之外，还要结合教室中是否有人员以及人员所在位置和人数，进行区域性的控制教室室内的照明灯的点亮和熄灭。系统将热释电红外传感器安装在教室门上方，统计往来教室的人员人数；在教室内不同区域分散放置若干传感器，监测人员室内位置，将监测到的信息送到智能中控系统，反馈亮灯情况，触发其它模块工作，其信息传输过程如图6 所示。

图6 人数统计模块程序

图7 是人数统计传感器分布图，①～④号是热释电红外传感器用来监测人员进出并统计人数，由于教室存在多门，上、下课学生涌入、涌出和紧急情况要求快速撤离的情况，在每个门的上方安装两个热释电红外传感器，该传感器能根据人员进出方向输出正负不同开始的正弦波，将传感器输出的正弦波经过带通滤波、放大、比较后传入智能中控系统，从而统计室内人数。⑤～⑩号传感器用来监测室内人员位置，把照明灯同时分成六个区域，在相应的区域内，如果教室内的光照强度不满足要求，并且通过热释电红外传感器检测到该区域有人员时，将监测到的信息传入智能中控系统，反馈亮灯情况，控制各个灯的开关情况。

图7 热释电红外传感器拟分布图

5 智能照明模块

绿色照明节能控制系统在光源的选择上也要具有节能型。系统选用高光效光源，采用CAD、LightTools 等设计软件，模拟仿真照明系统光线分布情况，优化配置光源阵列，提高光源的光学性能与价格比。运用启动电压低、噪声小、温升低、重量轻、无闪频、自身功耗低的电子镇流器，大大提高系统节能效果。确定高效光源基础上，运用LightTools 光学软件模拟照明系统光学分布，采用CAD 软件仿真光源分布情况，联合优质性能的电子镇流器，获得最优化光源照明分布模块。

6 通信协议选择

各模块之间的通信采用无线物联网和有线通信相结合的方式进行，比较ZigBee、RS485 等现有通信协议特性，确定ZigBee 和RS485 协议分别适用于小区域和大区域的系统应用。在智能中控系统与光照度监测、电动百叶、人数统计、智能照明模块的大区域中采用RS485 通信协议，在各个智能照明模块采用ZigBee 无线通信协议。选择适宜的通信协议基础上，开发一种多接口、智能照明集中控制系统，以及与之相匹配的用户界面。在选择适宜的通信协议基础上，开发一种多接口、智能照明集中控制系统，以及与之相匹配的用户界面，使电信号与数字信号可迅速、高效的转换传输，最终实现绿色照明的智能化控制。

7 结论

本系统以电气智能化设计为基础路线，通过光学、物联网、大数据建立最优的高校绿色照明节能控制模型，构建一套智能采光控制系统，系统初智能控光之外，也具备了传统的手动开关灯的设计可灵活对教室灯光进行管理。通过前期小样品教室采光系统的设计，对物联网在绿色照明节能控制方面提出新的构建思想及理论模型。通过传感器采集人员密度分布，构建一套新技术数学模型以适应绿色照明及高新技术的经济可持续性发展。