学校智能节能照明控制系统的研究与应用

李应生， 庞建丽

（黄淮学院，河南驻马店463000）

据统计，我国的照明用电占整个电力的15%左右[1]，实行节能的潜力很大。学校用电照明费用是学校电费的主体，人为造成照明能源浪费的现象仍然非常严重。根据不完全统计80%的教学楼存在着在白天光照良好的情况下教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱以外，另一个重要的原因就是节能照明智能控制器的应用与研究不够，使用的照明电器电光转换效率不高，电器使用寿命短，这些都增大了学校的用电费用。积极开展学校智能节能照明控制系统的研究与应用，会大大提高学校照明电力的管理水平，为校方节省大量的电费支出，为学校师生提供了一个更舒适、明亮的学习和工作环境。从而达到智能节能照明的节能、环保、方便的目的。

1 项目研究开发的内容及目标

通过对各类典型学校的实地考查、调研与数据统计。研究教学楼、实验楼、图书馆、学生寝楼、体育馆、行政中心、学校园区、学生生活区对照明的科学要求，并根据控制对象的特点研究整个校园的智能节能照明控制系统的具体实施方案。

项目的技术关键；（1） 研究学校照明电光源的节能分析与选用原则；（2）控制系统的硬件与软件设计。

2 学校照明电光源的节能分析与选用原则

电光源的主要特性有发光效率、显色性、使用寿命、使用要求及成本等。显色性通常称为显色指数(R)，它能直观地描述电光源显色性能的高低。以太阳光的R=100为标准。光源实际的R值越高．光源的显色性能越接近于太阳光，光源的显色性能也就越好[2]。

主要电光源的技术性能指标见表1所示。由表1中可以看出[3]，如用25 W的普通荧光灯取代100 W的白炽灯，取代后照度增加16%，可节电75 W，电费节省(节电率)达75%。用电子式镇流器、管径T8(26 mm)、功率32 W的直管型荧光灯升级换代管径T12(38 mm)、功率40 W普通荧光灯，取代后照度提高12%、28%，电费节省(节电率)达20%。

学校照明电光源选用坚持的原则是灯具效率要高；要按室内空间比选择灯具的配光，提高利用系数；使用寿命要长，性能价格要高。不但要获得良好的照明效果，还要以TOC（客户总成本）的观点来计算分析，即总成本=采购成本+使用成本+维护成本，同时要兼顾灯具的外观与分布设计，从而达到节能的目的。

表1 主要电光源的技术性能指标

3 教学楼与图书馆用日光灯节能照明智能控制器与系统的设计

根据学校照明电光源的节能分析与选用原则，教学楼与图书馆的照明电光源应优先选用T8直管型荧光灯。

3.1 系统的设计构思

我国《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)规定教室或一般阅览室照度的标准值是300 lx[4]。经过实际调研发现教室或一般阅览室照度在200 lx以上时，基本可满足照明要求，因此选用分组与分级并用的照明调光方式。根据教室或阅览室座位的多少将室内灯具分成组，每组灯具对应30个左右座位，每个灯罩内安装三个日光灯管，灯具安装数量与位置根据室内实际情况进行合理的设计，使灯罩内每一个日光灯管点亮时，给室内提供的照度为100 lx。当室内照度Ev≥300 lx时关闭室内所有灯具。当室内照度Ev＜200 lx时，则根据对室内人数统计确定开启灯具的组数和灯罩内灯管数量。以室内5组灯具（对应150个座位左右）为例，室内人数在1～30时开一组灯，31～60人时开两组灯，依次类推,当室内人数在120人以上时，打开全部的5组灯具，此时每个灯罩内只有一个日光灯管亮。当室内照度下降到在灯罩内只有一个日光灯管亮时照度依然小于200 lx时,灯罩内有两个日光灯管同时点亮。当室内照度下降到在灯罩内有两个日光灯管亮时照度依然小于200 lx时,灯罩内三只日光灯管同时点亮。根据室内照度和人数的情况对灯具进行分组与分级照明调光控制,实现“按需亮灯”以达到节能目的。

3.2 系统的硬件设计

(1)照度测量单元设计。根据控制需要，照度测量单元必须安装在第一组灯具光照区。照度测量电路：如图1所示[5]，当光线照到光电二极管D上时，光电二极管产生的反向电流与照度成正比，反向电流流过100 kΩ电阻时会使运算放大器A1反向端电位下降，经过两级放大转换，产生可测量的电压。由于光照区照在光电二极管上的照度和转换后的电压呈现近似线性关系，预先通过调节灯光照度，使其在光电二极管上的照度为100 lx，然后保持该照度不变，调节可调电阻R使输出的电压为1 V，接着保持R不变，依次验证当照度测量单元的照度在100～500 lx变化时，输出与其呈线性关系的电压在1～5 V。该输出电压被送到单片机的模/数转换ADC电路。

(2)进/出室内人数测量单元设计。测量单元传感器采用双元型热释电红外器件P2288-02，它具有两个完全相同的敏感元件，它们按照极化方向反向串联，其中一个敏感元件为噪声补偿元件，蒸涂有红外反射膜，因此它产生的输出信号较小。人体从不同方向沿着传感器前两个敏感元件通过传感器时其输出信号波形不同，利用放大电路对传感器输出信号进行放大，经滤波电路、正向电压峰值保持电路、窗口电压比较器和与非门组成的逻辑电路对信号进行最后的处理，并输出适合于单片机计数的两路逻辑电平信号，分别表示人员进/出室内，并与单片机的计数器0和计数器1相连，通过计算进/出门的人数差值得到室内的具体人数。

(3)针对系统的要求，单片机选用ATmega8TQFP，这是一款价格低廉的高性能、低功耗单片机[6]。工作电压范围2.7～5.5 V， 8 kB的在线可编程FLASH程序存贮器，1 kB的SRAM数据存贮器，512 B的EEPROM，23个通用可编程I/O引脚，3个定时/计数器，10位精度的ADC，内置模拟比较器、看门狗定时器、实时时钟等电路。

(4)采用继电器分组与分级控制日光灯负载，进行分组与分级照明调光。控制信号由单片机I/O口输出。

3.3 系统软件设计

单片机软件的主要功能是：照度测量单元输出电压的模/数转换；测量进/出室内的人员数量并计算出室内的人数；根据设定的条件，对各组灯具的开/关进行控制。

4 实验楼用日光灯节能照明智能控制器与系统的设计

我国《建筑照明设计标准》规定实验室光照度的标准值是300 lx。实验室的照明电光源应优先选用T8直管型荧光灯。系统设计是在教学楼用日光灯节能照明智能控制系统的基础上改进实现的。保留光照度测量与控制部分，改进分组方法。根据实验室内安放的实验台数和每个实验台上要求的实验人数将实验室内灯具分成组，每组灯具对应4个实验台,每个实验台上要求的实验人数为2人。每个灯罩内安装三个日光灯管,灯具安装数量与位置根据室内实际情况进行合理的设计。以室内5组灯具（对应20个实验台）为例,当室内照度Ev＜200 lx时,则根据对实验室内人数统计确定开启灯具的组数。室内人数在1～8人时开一组灯,9～16人时开两组灯,依次类推,当室内人数在32人以上时,打开全部的5组灯具。分级照明调光方式和教学楼与图书馆用日光灯节能照明智能控制系统的分级调光方式相同。根据实验室内光照度和人数的情况对灯具进行控制。

5 学生寝室用日光灯节能照明智能控制器与系统的设计

根据调查统计，在学生寝室每年都会有火灾发生，火灾原因多数是由于使用大功率电器引起的。为此，学生寝室节能照明设计还要考虑寝室安全问题。学生寝室的照明电光源应优先选用T8直管型或紧凑型荧光灯。系统的设计是在教学楼用日光灯节能照明智能控制系统的基础上改进实现的。保留光照度测量与控制部分，增加学生寝室照明用电电流测量与控制部分，当寝室中有人使用大功率电器引起用电电流超过设定值时，控制部分就自动切断该寝室的电源，并发出警报声，直到用电负载恢复正常，控制部分就自动接通该寝室的电源，并解除警报。在学生寝室中增加烟雾传感器，当寝室中由于其它意外因素引起火灾初起时，控制部分就自动接通警报电路。根据学生需要，还可以在寝室中增加红外传感器，用于防盗报警。

6 体育馆、行政中心和多功能厅用LED节能照明智能控制器与系统的设计

LED是冷光源,白光LED的光效和荧光灯的光效相近,使用寿命是荧光灯的10倍。体育馆、行政中心和多功能厅照明电光源选用白光LED，可实现连续调光，具有美观大方，使用安全可靠,便于维护的特点。

6.1 系统的设计思路

系统的设计是在教学楼用日光灯节能照明智能控制系统的基础上改进实现的。在第一组灯光照区，若室内照度X＞300 lx时,所有LED灯均不开;若室内照度X＜300 lx时,在室内有人时，第一组灯的所有LED灯均开启，LED释放到室内的平均照度E=300－X。单片机接收进/出室内人数测量单元输出的信号和光照度测量单元输出的亮度控制信号。通过单片机处理,输出调节脉冲,调节脉冲经隔离、功率放大后接至可控硅控制极，通过控制可控硅的导通角，来控制LED驱动电路的输出,达到分组与连续调光并用的照明控制方式。可节能超过50%。

6.2 LED照明系统和控制模块设计

采用1 W白光LED，发光效率为60 lm/W时[7],一支LED的光通量Ф为60 lm。灯具利用系数U取0.82，维护系数K取0.86，设计要求室内照度E的标准值是300 lx，每一组灯选用的LED数是N，对应的室内面积A取50m2。可求得关系式E=ФNUK/A，由此式可得每一组灯选用的LED数N=(EA)/(ФUK)=(300×50)/(60×0.82×0.86)=359(只)。每一组灯选用的LED数N取360，将360只LED分装成9只灯。每只灯上安装40个LED，40个LED分成4条串联支路。每只灯选用一个AP22B320 LED驱动器作为电源，构成一个LED照明控制模块，电路如图2所示。

AP22B320是制作一体化半导体灯专用电源变换器,驱动器使用高频脉宽调制式开关变换电路实现恒流控制，由220 V交流电供电，输出320 mA稳定的单向脉动恒定电流。每只灯的4条串联支路并联作为驱动器的负载，在驱动器的输出回路中串入可控硅，用单片机控制可控硅的导通角来调节每只灯上安装的LED发光亮度。在可控硅两端并联阻容串联元件吸AP22B320与可控硅产生的谐波干扰。

7 学校园区与学生生活区道路灯节能照明智能控制器与系统的设计

学校园区与学生生活区路主干道和次干道的照明光源应优先选用高压钠灯，也可以选用LED照明模块；小路和小巷宜采用低压钠灯。系统的设计是在行政中心和多功能厅用LED节能照明智能控制系统的基础上改进实现的。保留光照度测量与控制部分。对照明光源选用高压钠灯，在电荷低谷时，电压会上升得很高。这样一方面大大增加了电光源的电耗，另一方面大大降低了电光源和线路的使用寿命。因此，控制部分应改为双向晶闸管(移相触发)调压，实现照明系统供电电压的平滑连续调节。增加定时控制部分，单片机根据不同时间段需要的照度，自动改变照度设定值。照度设定值与照度检测和变送器送来的反馈值进行比较。若实际照度过高时，数字调节器自动降低调压执行器的输出电压，反之调高调压执行器的输出电压，直到实际照度值与设定照度值相等为止。主次干道实行双回路供电，分全夜灯回路和半夜灯回路，在设定的时间下实行半夜减半照明控制，减去对辅道或人行道的照明。

8 结论

通过科学选用学校照明电光源，利用人体信息与光照信息实现了对学校照明灯具的自动控制，可改善学校环境，使学校照明系统平均节电率30%以上，同时照明灯具的维修和管理费用大为减少，使用寿命延长40%以上，用三年左右的时间，学校就可基本收回智能控制系统所增加的全部费用。目前在学校还没有适合各类学校的、科学合理的智能照明系统。为此，开展学校节能照明控制系统的研究与推广，可产生巨大的经济、社会和环境预期效益。

[1]胡浩，龙治海.学校照明节能控制系统与应用电路[J].电工技术，2010（3）：9-10.

[2]鲁照权，郭剑.常用电光源与照明节能[J].电力电子技术，2007，41（2）：99-100.

[3]张君芳.浅谈绿色照明及照明设计节能措施[J].广东科技，2006，150（2）：106-107.

[4]胡耀斌，蒋彦，朱慧玲．室内大面积照明的节能控制研究[J].电测与仪表，2007，11：32-35.

[5]戴杰.基于单片机的节能调光控制器[J].计算机工程应用技术，2008（9）：2258-2259.

[6]周建新，马潮.单片机语言编程开发[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7]赵玲，朱安庆.智能LED节能照明系统的设计[J].半导体技术，2008，33（2）：137-139.