教室照明智能控制系统的研究与开发

刘宁宁

(天津市东丽区职业教育中心学校，天津 300300)

教室照明智能控制系统的研究与开发

刘宁宁

(天津市东丽区职业教育中心学校，天津 300300)

近几年来，随着我国经济社会的快速发展，能源供需矛盾日益凸显。随之而来的对能源的无序开采，又带来了能源浪费，环境污染等问题。为此，我国已将节能减排和绿色环保作为推进经济社会发展的一项重要系统工程，大力支持对节能控制技术的研究。本文作者分析了所任职学校使用的传统照明方式存在的等多种弊端，给学校带来不必要的经济损失。因此，本文以教学楼照明系统为研究对象，针对教室照明智能控制系统开展了研究，主要工作如下：分析了教室的使用特点，针对使用者对室内照明的需求，设计了教学楼智能照明控制系统，完成对现有教学楼内教室灯光控制的改造，使传统照明方式中存在的问题得到解决，从而达到环保节能的目的。

照明智能控制;光控;时钟控制

在党的“十八大”报告中习近平主席进一步明确了“全面促进资源节约”、“实施重大生态修复工程”、“把环保减排指标纳入地方政府的考核体系”等目标要求，表明了我国已将节能减排、绿色环保、节约能源，纳入当地政府的考核机制，成为推进国家经济社会发展的一项重要系统工程。本文以笔者现工作的中职学校为研究对象，对学校教学楼的照明用电设备使用状况和管理方式做了详细的观察和记录，发现与一些工厂企业、写字楼、大型商场相比，校园内的照明灯具较多，且呈粗放型管理模式浪费严重。这种浪费现象尽管引起了校方的足够重视，并采取了一系列控制措施，但效果不很明显，学校在此项上的支出仍然很大。由此可见，学校照明控制智能化改革势在必行，需要积极的研发并应用这种智能照明控制系统，使学校在照明电力中充分提高其管理水平，这样不仅给校方省掉很大的一笔电费支出，还能使学校师生所处的学习工作环境变得更加明亮舒适，真正实现智能照明，和方便、节能、环保的目的。

一、课题研究背景和现实意义

鉴于世界能源危机的加剧，能源问题已经成为制约经济发展的“瓶颈”之一，如何有效的利用能源已成为当务之急。随着新技术、新材料、新工艺的不断发展与进步，照明控制系统作为现代建筑电气行业必不可少的系统的一部分，也发生了本质的变革，智能照明控制系统正在逐步取代传统的照明控制系统。

这些年以来，随着我国经济社会的快速发展，科学技术水平的大幅提升，人们对于能源的需求越来越大，造成的能源供需矛盾愈发突显，国民经济的持续发展已经受到能源短缺的严重制约，而对于照明灯具而言，人们对其科学管理与节能环保方面提出了更高的要求。随着智能化技术不断发展，照明控制系统的地位已经变得更加重要，智能化的照明控制系统在电气照明领域得到了大力推广和应用，一方面它能够为使用者提供温馨舒适的照明光环境，另一方面它可以根据使用区域的不同，实现手动、自动的智能控制，此外照明智能控制系统的耗电量与其他费用均有所下降。不仅如此，相较于传统的手动照明控制，智能照明控制系统可以对工作环境进行改善，创造良好的环境气氛，达到理想的节能效果，具有延长光源寿命，提高工作效率，管理维护方便等优势。在建筑物中应用这个系统，能够控制其灯光的明暗强度、布局色彩和控制发光时间，来实现不同的组合形式，形成不同的效果与意境，提高整体照明环境的水平，对于工作或者生活在建筑物中的群体而言，还可以为其提供健康、舒适的环境。

同时，采用智能照明控制系统，还有助于节能和照明系统管理的智能化、维护操作简单化，以及灵活适应未来照明布局和控制方式的变更，提高照明设计的技术和科技含量。智能照明控制系统的灵活运用是照明设计师技术与才艺的充分体现。

本文选择智能照明控制系统开展研究具有一定的理论意义和重要的应用价值。

二、课题的主要工作

本文通过笔者对学校的实地考查调研与数据统计，研究分析了造成学校的电能浪费的原因，主要是传统的照明控制系统存在的多种弊端所致。为此本文主要围绕照明智能控制系统的研究与开发开展了如下工作：

对学校的照明光源进行研究，制定相应的选用原则以及进行一定的节能分析；

对系统的硬件部分进行控制设计；

研究用弱电如何控制强电，也就是通过单片机达到对市电的操控；

实现智能化、人机交互，即人和控制系统的终端进行交互。

三、照明控制系统实现智能化总的途径和解决方案

(一)教室智能照明控制系统的总体设计思路

在智能照明系统设计中，要综合考虑到教室的照明节能环保，和学生的学习、工作、生活及身心健康两方面，来对教室内传统的照明控制系统进行改造，做到系统以最高效率利用能源，最低限度的影响整个教室环境。主要考虑到以下两点：1、合理地将自然光用以辅助光源，当教室内在白天光照可以满足的情况下，关闭所有灯具；2、根据时钟控制设定的时间段(期末考试、正常上课、节假日)，来进行教学区域的选择，这样能够在保证照明质量的同时，有效的避免能源的浪费。

本文开发的系统采用了一种集中控制和管理、分散执行的教室照明控制方案，兼顾个体灯具和教室全局的控制策略。教室照明智能控制系统设计采用微型计算机的控制系统为主要单元，可根据用电者对照明的需求，光线强度可自行设置设定参数，控制灯光的启动和关闭状态，并进行教室区域的选择。同时还可以进行时间控制，本系统可以预设四组时间段直接进行灯光启闭的控制，如节假日，工作以外的时间段可设定关闭状态。具有方便灵活、操作简单、易于掌握、安全可靠、不受光强度控制等特点。

如图1所示，照明智能控制系统的主要组成部分是：主控制器单元；灯具开关控制单元；光控单元；继电器驱动单元。

照明控制方式可以从室内环境和教室使用情况的实际出发，直接控制教学楼教室内照明灯具的点亮和熄灭。比如：可以根据教学楼里正常上课、晚自习、集中考试等不同阶段，并且可以根据节假日和寒暑假由管理员人工控制，对所有的照明灯具采取综合调控，实现较好的照明控制和节能效果。

在本系统中，每层楼均设置一个主控制箱，其中的中央微处理器均采用ATMEL公司生产的低功耗、高性能的单片机AT89S52为核心的数据采集和处理装置，如图2中可以看到其结构。其主要的组成部分有：①复位按钮②电源模块③时钟信号④光控信号⑤数码管显示电路⑥继电器驱动电路等。其中，将时钟和光控信号作为输入信号，单片机负责将这些数据采集起来，并存储于存储器中，并通过单片机内置时钟控制，在数码管显示单元输出正常时间，并可以采用键盘对时钟进行调节设置，同时利用光控信号和外部时钟控制器还能实现教室区域的选择，以驱动相应的继电器对教室照明灯具的选择控制。

图1 教室智能照明控制系统结构图

图2 中央微处理器控制结构图

(二)教室智能照明控制系统的主要工作

对整个智能照明控制系统的设计规划，是通过合情合理的分析中职学校作息规律和教学楼的运行情况而开发的。在制定控制策略时，由于中央微处理器的功能非常强大，如数据的存储与处理功能、逻辑判断功能等，这为照明控制策略的开发提供了很大的发挥空间。系统总体上选用时间表控制策略，当教室内的照明灯具处于开放时段时，系统开始运行，否则停止运行，也就是说全部的照明设备都关断。

当系统运行时，又依据每个学期不同课程的安排，将每间教室的时间分为四个时间段，即：正常上课时间段，晚自习时间段，期末集中考试时间段，节假日时间段。而根据教室使用情况的不同，又可以大体分为三种状态。

通常情况下，因为学生人数在第一种状态下都比较多，教室里很少存在空闲的座位，所以对于系统而言，只开启外部的光控电路即可，也就是说照明灯具的控制仅是从光照度值和光控信号来执行的，设定照度临界值，我国《建筑照明设计标准》(GB50034-2004)规定教室照度的标准值是300。经过实际调研发现教室照度在200以上时，基本可满足照明要求。如果不规划教室灯具将会导致巨大的电能和器具的浪费，还不能起到良好的照明效果。当遇到较弱的自然光或者是窗帘被拉上时，就比这个临界值低，全部的照明灯具都被系统开启；如果遇到较强的自然光线时，则会比这个临界值高，全部的照明灯具都会被系统关闭，以自然光为光源，从而实现节能的目的。

在第二种状态下，因为使用教室的区域不同，在晚自习时教室内的学生具有较强的流通性，而且人数也很不稳定，常常会出现无人使用的教室区域仍然亮灯或者“人走灯亮”的现象，所以节能的研究是非常重要的。系统同时开启光控和时钟控制功能，当只在光敏电阻呈高阻态，且在相应的时间段内，和四位拨码开关的某几位开关被打开的情况下，驱动继电器工作，才能实现教室区域的选择，来控制想要选择的教室内的照明灯具。

第三种状态是节假日时间段内教室无人使用的情况，需要值班人员关闭配电箱内的四位拨码开关，利用时间控制器直接将照明电路电源切断，各教室区域的照明灯具完全断开。

此外，本系统的光控单元还设有未控部分，可以直接与办公区域相连接，实现教学行政人员自行手动开闭照明灯具，满足教学人员临时对照明的需求。

四、教室照明智能控制系统的硬件设计

(一)智能主控制器的设计

本文研发系统中智能主控器的主要功能有：

1.光控单元对教室内各区域的光照度值的实时监测；

2.数码管输出显示正常时间；

3.可以通过键盘实现时钟调整和使用教室区域的选择；

4.可以进行光强度调整；

5.光控电路中未控部分的设计，实现办公区域的手动灯具照明。

在中央微处理器的选择上采用ATMEL公司生产的MCS-51系列单片机中的AT89S52芯片。它是一个通用的低功耗，高速8位CMOS单片机。图3-1是8052系列标准单片机，它的芯片有40个管脚且有8kB的PROM，可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，同时拥有32个I/O口和256bit片内RAM，9个终端源，3个16位的计数器，两个数据指针，并拥有全双工的UART串口和3个优先级，看门狗时钟电路模式。器件采用ATMEL公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准?MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。单芯片上，拥有8位CPU及在系统可编程FLASH，综合以上的性能特点，AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活、有效的解决方案。

(二)数据采集单元的设计

555光控电路单元主要由555芯片、继电器、光敏电阻、电位器等原件组成。

图3 555光控电路原理图

如图3所示的555光控电路原理图，由电容C4和二极管VD1～VD4组成降压桥式整流滤波电路，220V交流电经变压器降压桥式整流后，电容滤波有效的抑制了整流电压的纹波，得到平滑的12V直流输出电压。电路中555接成双稳态电路，光敏电阻RG和电位器RP组成一个简单的分压器，555的2脚、6脚接在分压点上。当白天光照度符合设定的照度值时，光敏电阻RG呈低阻状态，为此分压点为高电位。当6脚电压为2/3电源电压以上时，双稳态电路复位，555的输出端3脚为低电位，三极管9013不导通，继电器K1线圈不得电，触点不吸合，发光二极管D5不发光。当室外光照度不符合标准设定的照度值时，光敏电阻RG因无光照射而呈现高电阻，此时分压点为低电位。当555的2脚电压为l/3电源电压以下时，555电路翻转双稳态电路被置位，555的3脚输出高电位，三极管9013导通，继电器K1线圈得电工作，其常开触点K1吸合，发光二极管D5发光，进入另一个稳态。这里采用9013三极管驱动继电器，并在基极接10K电阻，可以保护集成电路不受线圈的自感电动势的作用而损坏。

电容C1和C2并联起到了延时作用，其延时目的是如果光照度传感器遭到飞鸟等干扰时，经过延时整定的时间，等待干扰物体飞走后，再进行判断驱动继电器做出相应的动作，防止室内照明灯具出现误动作，提高设计的可靠性。

(三)灯开关控制器的设计

根据教室的实际情况，将灯开关控制器安装在室内开关的正上方。该电路整体分为三路控制三组照明灯具，可以实现两个档位的选择，一是光控档，二是未控档，由电路中的波段开关控制，一般在教室区域内选择光控档位，防止学生在白天光照好的条件下随意开灯浪费电能，起到为学校节约开支，绿色环保的作用；办公区域内选择未控档，由教学人员根据自身需要自行开关照明灯具。

如图4所示，灯开关控制器主要由波段开关、二极管、三极管、继电器等原件组成。其原理是：处在光控档位时，当室内光环境低于设定的照度值，需要打开照明灯具时，电路由+12V直流电压供电，当NPN三极管9014的基极是高电平，上拉电阻R8加在集电极接低电平时，三极管9012、9014导通，继电器线圈得电，其常开触点闭合，照明灯具此时打开点亮，这时反馈电阻R2又反馈给三极管9014基极一个高电平，使三极管持续导通，形成一个自锁式电路。二极管IN4007可以保护三极管不受线圈的自感电动势的作用而损坏。

否则，在光照良好的情况下，即使学生打开了开关，照明灯具也不会点亮；处在未控档位时，办公区域一般使用未控功能，直接通过开关来控制照明灯具的开闭。

图4 灯开关控制器的原理图

(四)继电器驱动电路的设计

继电器驱动控制教室亮灯的电路如图5所示，该电路由三极管、继电器、拨码器、7408或门组成，其中单片机P1.0、P1.1、P1.2口输出的控制信号来实现教室区域选择的控制功能。

当需要临时打开若干教室区域时，7408或门的两个输入端分别接光控与时钟串联的信号，和由四位拨码器经单片机采集的数据信号，将两者进行求或运算，是“0”还是“1”。当三极管的基极为“1”高电平时，三极管导通，继电器线圈得点，使常开触点闭合，即可驱动继电器对相应的教室区域进行选择，继电器仍然可以再向下并联若干驱动电路的分支，从而真正实现多教室区域的选择。

图5 继电器驱动控制电路

五、照明智能控制系统的软件设计

在单片机软件设计中，主要分为三大设计板块：主程序设计；子程序设计；中断程序设计。

软件不仅是计算机系统的重要组成部分，而且也是计算机控制系统的关键设备。如果计算机没有软件作为支撑，那么计算机根本就无法运行。而对于智能照明控制系统而言，通常使用软件对硬件设备功能进行定义。比如，对照明灯具进行控制，一般采用串行通信程序来实现这个功能，经过程序来实现数码管显示和定义键盘功能等方面，因此不仅是控制系统还是计算机都离不开软件。

在本文中，笔者对智能照明控制系统的软件设计方面进行了研究，其中主要包括智能主控制器的软件设计，即系统监控主程序模块、模拟量和数字量采集、时钟控制，键盘人机交互等。

六、结论

通过在教学楼教室内试运行该系统证明，科学合理的选用智能照明控制系统，使学校照明系统平均节电率达到了28%以上，学校的电费开支也节约了30%左右。照明灯具的维修和管理费用大幅减少，也延长了照明灯具的使用寿命，具有很高的推广价值。

R&D of Intelligent Lighting System at Classroom

LIU Ning-ning
(TianjinDongliVocationalEducationCenterSchool,Tianjin, 300300)

in recent years, China witnesses increasing contradiction in energy supply-demand alongside the fast development of social economy. The following disorderly exploration of energy causes energy waste and environmental pollution. As a result, China has put priority on energy saving, energy reduction, and green Initiative as an important engine to push forward social economic development. The government has greatly supported research on energy saving and control technology. The author analyses the many disadvantages of traditional lighting methods used in the school where he takes office which has caused economic losses. The paper studies the intelligent classroom lighting system. An intelligent lighting control system on teaching buildings has been designed based on the uses of classroom and requirements of users, with the aim to renovate the existing lighting control system and solve the problems of traditional lighting methods for a better environment using less energy.

intelligent lighting control; light-dependent control; time control

2015-05-08

刘宁宁(1982-),女，天津人，天津市东丽区职业教育中心学校教师， 中学二级，电类专业课一线教学工作。

TP39

A

1673-582X(2015)11-0079-07