基于物联网的高校教室智慧照明方案研究

黄香琳

(重庆大学a.建筑城规学院，b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 引言

随着经济社会的不断发展和工业化程度的不断提升，人们对资源能源的疯狂式掠夺和利用给地球带来了极大的压力。在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活的能源问题之一。在我国，照明耗电占年发电量的10%，而对照明场所多的高校而言，照明耗电超过了学校年耗电量的40%。目前，全国大多数高校教室仍处于粗放式的管理模式，管理人员和学生的节能意识不高，电能浪费现象在我国大部分的高校教室很常见。高校教室具有学生流动率高，教室不固定，学生人数不确定的特点，随时都有学生进出，长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在，这些浪费无疑造成了电能的损失。

教室是学生上课学习的场所，学生大部分的学习时间都在教室里，因此教室照明不仅要从节能方面考虑，同时也要从满足学生的视看需要方面出发，良好的教室照明不仅有益于学生的视力健康，更有利于提高学生的学习效率和学习的积极性。无论是从节能角度还是从视觉功效出发，对高校教室智慧照明方案设计的研究是非常有意义的。刘谋黎等将物联网技术应用于传统照明，设计一种高校教室智能照明系统。陈九江、吴桐等人利用教室照明系统的智能控制装置，实现对教室照明系统的智能控制。周浪、林哲等人引入一种分层次的多模态教室照明控制方法，实现对教室灯光的智慧化控制。本文从物联网技术出发，通过光照度传感器和人体红外传感器，构建基于物联网的高校教室智慧照明系统，采用分区设计和多种智慧照明模式，实现高校教室照明智慧化控制，提高管理水平，满足教学和节能需求，体现以人为本的照明控制思想。

1 基于物联网的智慧照明

1.1 智慧照明

继电气化、信息化之后，智慧化成为科技革命发展的必然，而智慧城市的发展顺应了城市化发展的趋势。智慧城市是在互联网的基础上，利用信息通讯、感测等技术，解决智能感测、通讯、计算、分析、判断、调控等城市运行的各种关键技术，建成城市发展的智慧环境。智慧城市的发展要求照明也是智慧照明，而智慧照明就是利用物联网技术构建智慧照明系统，实现对灯具照明的智慧化管理。智慧照明实现“智慧”的关键在于:通过多源感知、深度集成、智能决策，发挥各子系统的外部效应，系统之间纵横联接成网，增强系统之间知识共享的密度，提高系统整体的“智慧度”。

1.2 物联网技术

教室的智慧照明要满足学生学习、教师教学、教室管理等需求。通过物联网技术，以更加精细和动态的方式管理教室灯具照明，达到“智慧”状态，以更好地节约能源，同时实现学生学习的视看需要。

物联网是实现教室智慧照明的途径，物联网概念在1999年v提出，即IOT(Internet of Things 物物相连的互联网)。2005年v，国际电信联盟(ITU)正式提出了“物联网”的概念。其定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网架构上包括感知、网络和应用三个方面。感知功能由传感器和传输网关构成，它嵌入到物联网的“物”中，承担“物”的信息接受、发送、控制功能。网络功能负责将物联网中“物”的信息在不同网络中传输，连接应用层和感知层。应用功能即智慧分析与表达，通过应用层对数据进行分析和挖掘，并对物联网中的任意“物”进行反馈，下达指令，实施管理和控制。

2 教室智慧照明标准选用

高校教室照明应该在照明标准的相关要求下进行智慧照明的建设。我国现行GB 50034—2013《建筑照明设计标准》对各类教室的照度、照度均匀度、眩光限制、色温等都做出了相关规定。

表1 教育建筑照明标准值

由表1 可知，普通教室照度值需要满足300 lx，照度均匀度不应小于0.6 的照明质量。

本文主要是通过照度值来判断光环境是否符合设计要求，进而通过智慧照明系统控制和调节教室内不同区域的灯光，使室内的光环境达到一个恒定光照度，这里主要以300 lx 为一个恒定标准，从而保证其合理的照度均匀度。

3 教室智慧照明系统设计

3.1 系统总体组成

考虑到高校教室粗放式管理方式和电能浪费现象，教室智慧照明的系统组成主要从两方面考虑:一是选用高效的节能灯具来实现教室照明的节能环保;二是根据教室内人数的多少、人的位置分布、照明水平等来合理控制教室灯具照明，确保照明质量的同时也避免了能源浪费现象的发生。

灯具选用方面，主要为LED 灯具。高校教室的灯具目前主要采用的是传统的日光灯，教室智慧照明的目的是为了实现教室灯具的节能效果，因此应选取在节能和环保方面都有很大优势的LED 灯。LED 灯具具有启动快，功率小，可调光，无频闪，不容易视力疲劳等优点，半导体器件的特性使其在智能照明控制方面有着绝对的优势，可以完美实现对照明灯具的调光调色、灵活设置、分组管理等功能，可更人性化地满足使用者的需求。

从教室灯具的管理控制方面，结合物联网技术，从感知层、网络层和应用层三个方面进行设计(图1)。

1)感知层:主要包括各种智能传感器和智能控制器。教室智慧照明采用的智能传感器主要有照度传感器、人体红外传感器等。光照度传感器用于感知教室光环境信息，结合不同的教室使用功能判断是否需要开灯，以及调节LED 的光照度来达到教室所需照明标准;人体红外传感器主要用于感知人员信息和人体位置信息等，以此判断是否需要开灯以及开启哪些区域的灯。这些都为教室智慧照明提供了数据支持。

2)网络层:实现系统的远程控制就必须要有通讯网络，包括有线网络、无线网络、互联网等。通过通讯网络联系感知层和应用层两部分。

3)应用层:教室智慧照明系统的核心是上位机，系统上位机接收感测数据，通过已编好的程序进行分析判断，然后发出照明控制命令并传送给教室的智能控制器，以合理控制教室灯具的照明。

图1 教室智慧照明基本架构

3.2 分区设计

为更好地管理教室内各个区域的灯具照明问题，应根据教室特点对教室进行分区，以达到智慧管理。将教室划分为多个区，通过在教室天花板中央安装旋转云台，使传感器扫描室内，从而统计人数和位置。随着云台的旋转，红外探测器的探测范围扫过整个教室，测出人数，避免了人体传感器只对运动物体有反应所带来的误差。

分区设计应考虑教室特点、灯具布线以及室外自然光照环境带来的影响。教室多采用侧窗采光，教室内各区域距离窗户远近不同，随着距离的增大，教室内光照度在不断减小，从而室内照度以及照度均匀度均不能满足要求。另外，结合教学需要，教室黑板灯应单独为一个区域。

首先根据教室的朝向分析光照在教室内所产生的明暗区域，划分出亮区和暗区(如图2)。然后结合教室特点及教室内的布灯情况进行小区域的划分，在此之前要先将黑板灯单独划为一个区域。根据图2可以将分区初步设计为图3 所示的方案。最后选择在教室中央或各个分区内安装传感器感测人员信息和光照信息。

图2 教室采光情况

图3 分区设计示意图

教室智慧照明系统整个工作过程是:通过光照度传感器感测室内光环境，以300 lx 为基准，高于300 lx则不管教室是否用于教学都可以不开灯，而当低于300 lx 时，根据人体红外传感器感测是否有人，人的数量以及人的分布范围，结合不同的教室使用功能情况判断是否需要开灯，开启哪些区域的灯，以及调节不同区域的灯的亮度以适应不同的教室功能需要。这里以300 lx 照度值作为判断标准，低于300 lx 时用灯光照明补充，使室内照度值达到300 lx 左右时保持恒定照明，以保证其室内照明的均匀度和稳定性。

3.3 智慧照明模式

根据高校教室的各种使用功能、人数的多少、光照度、时间日期等方面，可以将教室照明设计成多种智慧照明模式，实现对教室灯光的智能化控制，以满足不同教室的功能需要。本文依据人体红外传感器所感知的教室人员分布情况以及教室当前的用途，将智慧照明模式分为上课、自习、闲置三种。

3.3.1 上课模式

教室大部分的时间都是用于教师上课，而上课有板书讲课和多媒体讲课两种方式。根据前面介绍的系统工作过程，首先应通过光照度传感器感测光照度，若符合标准，则不论上课与否都可以不开启教室灯具，若照度不符合标准则根据人体红外传感器感测人员信息，再作判断。一般上课时人数会比较多，可预先设定标准值(假设小教室达到30 人，大教室达到50 人)，一旦达到标准值再根据上课模式预先设定的基本条件(教室教学使用的星期及时间段)判断是否处于上课模式，如果都符合则进入上课模式。一般上课模式下教室的灯光全部开启，以满足学生视看需要，提高教师教学和学生学习的积极性和参与性。课桌面照度应达到300 lx，教室黑板应尽量达到500 lx，灯光应根据环境亮度进行调节以补充自然光亮度。因上课还有多媒体教学，智慧照明系统也应该连通多媒体系统，一旦启动多媒体，则教室内黑板灯和前两排的灯将自动关闭。

3.3.2 自习模式

教室处于非上课时间段时常常会有学生去自习，人数有很大的不确定性，同时人员的分布也比较分散。当光照条件不满足时，根据人体红外传感器感测人数以及人员分布情况，结合自习模式的设定(教学规定时间段以外的教室使用)，确定开启哪些区域的灯光，避免不必要的浪费，同时也应满足处于两区域交界处的学生的视看需要。一般情况下应开启聚集人员较多的区域的灯光，这样再进来的学生自然会到光照充足的区域去自习，从而可最大程度节约照明用电。

3.3.3 闲置模式

此模式下灯具处于全关闭状态，一般在每天的中午或周末的时间段，当感测不到任何人员信息时教室将自动切换到闲置模式，即关闭所有的照明灯具。

4 小 结

目前电能的短缺已经成为我国重要能源问题之一，照明的节能环保问题也日益成为人们关注的焦点。随着经济社会的不断进步，科技也在不断发展，相继经历了电气化、信息化，而今智慧化的发展更适应社会发展的趋势。智慧照明脱胎于智慧城市，更应该被应用于多种照明场所，本文主要研究智慧照明在教室照明中的发展及应用，从物联网技术出发，运用物联网的感测技术，采用分区设计，结合多种智慧照明模式，构建基于物联网的高校教室智慧照明系统，实现高校教室照明智慧化控制，从而满足教室照明的节能需求。当然，智慧照明在教学建筑的应用还很有限，未来需要不断发展新的更智慧的技术及策略来更好地实现智慧化、人性化的照明。

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