基于PLC的图书馆智能照明监控系统

陈思敏 刘凯 徐月华

摘要：针对高校图书馆照明能耗高的问题，提出了一种基于PLC的绿色智能化照明系统。其主要思想为：最大可能利用自然采光前提下，采用远程监控计算机控制、采用光电传感器等技术，融合时钟设置自动化控制，实现基于人流量的自动控制阅览室照明，从而达到降低图书馆能耗的目的。实验系统运行结果显示，该系统节能作用达43%，验证了该系统设计的有效性。

Abstract： In view of the problem of high lighting energy consumption in university libraries， a green intelligent lighting system based on PLC is proposed. The main idea is： under the premise of the maximum possible use of natural lighting， the remote monitoring computer control and photoelectric sensors and other technologies are used and the clock set automatic control is integrated to achieve automatic control of reading room lighting based on the flow of people， so as to reduce library energy consumption. The results of the experimental system show that the energy-saving effect of the system is 43%， which verifies the effectiveness of the system design.

關键词：PLC；智能照明；图书馆

Key words： PLC；intelligent lighting；library

中图分类号：TU113.6+6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0113-03

0 引言

随着国民经济的发展，我国工商业、居民[2]等用电需求量越来越高，如何在保障我国居民对电力资源的基本需求前提下，对电力资源进行精细化控制，提高电力资源的利用效率，成为各大行业关注的重点[3]。而图书馆阅览室，是搜集、整理、收藏图书资料供人阅览、参考的机构，也是大学生学习的重要场所。高校图书馆既是人口的高密度区，同时更是重要的能源消耗大户。而目前，阅览室“长明灯”、“长流水”现象严重。这些都导致了能源在使用过程中的大量浪费[4]。据统计，全国高校每年都有近3亿kWh的电能被浪费。桂要生等人[5]提出利用单片机和红外技术设计智能控制系统，系统注重对照明设备的控制，无界面监控。

本文提出的“绿色”照明，其主要思想为：最大可能利用自然采光前提下，采用远程监控计算机控制[6，7]、照度感应和红外传感器[9]等技术，融合时钟设置自动化控制，实现基于人流量的自动控制阅览室照明，同时利用组态界面对PLC控制的照明设备电能实施电能监测，从而达到建筑节能效果。

1 高校阅览室照明能耗现状

高校阅览室是师生阅读图书和自修的场所。以图书馆阅览室为例，目前阅览室在白天几乎关闭所有照明，而晚上则开启所照明灯具。而实际上，阅览室存在不同时段上人员密集度方面的较大变动的情况，相应的照明需求也存在较大的变动。例如，学期前中段，学生自修人数相比于学期末段人数较少；上课时段人数相对于晚自修时段人数较少。另外一方面，藏书区为师生取书区域，师生在该区域逗留时段较较短；而阅读区是师生阅览室阅读书籍和自修的区域，活动时间相对较长，必须保证该区域的照度。综上所述，当前阅览室照明主要存在以下问题：

①阅读区域和藏书区域功能不同，照明却全开，造成资源配置不合理；

②阅览室在开馆期间，人员稀少时，照明依然全开；

③人工开关灯盘，当管理者的节能意识没提高的情况下，造成开馆期间所有照明完全开启。

为解决上述问题，本文提出一种绿色照明监控系统，并将其应用于图书馆阅览室里，提高自动化控制程度和管理的便捷性，同时节约电量，节省开支，而且还可延长照明灯具使用寿命。

该系统能实现以下功能：

①阅览室照明根据闭馆时间实现自动关闭照明。图书馆有固定的开馆时间，22：00，系统会自动关闭阅览室所有照明设备，阅览室关闭。

②白天时间段（8：00-18：00），由于光照度足够，位于建筑平面四周的阅读区域，书桌利用自然光满足师生阅读照度，因此阅读区域可关闭照明设备，以节约用电。而位于建筑中间位置的藏书区，由于书架的高度和宽度间隔，增加了自然采光的难度，因此，藏书区每个灯盘可开一个灯管，既满足师生到书架查找书籍的照度，又能节省部分照明用电。

③傍晚和晚上（18：00-22：00），此时光照度较低，阅览室自修的人数会相对增多，而阅览室的人流量也是不稳定的。比如说：平常时段，学生自修相对于学期末人数较少；上课时段相对于晚自修时段人数较少。因此该系统根据阅览室室内人数来控制阅读区开灯的区域以及藏书区每个灯盘开灯的数量，并且引导学生到开灯区域就座，以提高每个阅读区域的照明利用率，从而达到节能的效果。

2 绿色照明监控系统

2.1 绿色照明监控系统架构

该系统架构如图1，它利用PLC的联网通信功能，把PLC分布到照明监控现场，采用Modbus与Dalif协议，实现上位机与下位机的通信，从而实现分散控制、集中管理的目的。

2.2 绿色照明监控系统硬件设计

该系统由光电传感器模块、PLC控制模块、灯控模块以及人机界面组成。通过门前、门后两个双并列的光电传感器探测人员出入状态，将数据传送给PLC，PLC统计数据并控制照明设备开启多少个区域的照明，并把各个区域的照明开启情况反馈到人机界面中。系统硬件模块如图2。

由图2可知，该系统分为以下几部分：

2.2.1 光电传感器模块

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。系统将光电传感器的发送器和接收器分别装在出入口每个通道的两侧，检测物通过时，阻挡光路接收器就动作输出一个开关控制信号至PLC。

单个光电传感器只能检测遮挡信号，检测有无人通过该通道，而不能直接检测室内人数。为解决室内人数问题，在每个通道分别安装两对光电传感器，利用两对光电传感器来判定人员是进入阅览室还是离开阅览室：例如A区第一通道靠近门口处安装红外对射1，在靠近室内处安装红外对射2两个光电传感器，若先通过传感器1再通过传感器2就判定为进入阅览室，相反则判定为离开阅览室。

2.2.2 PLC控制模块

该模块为系统的核心部分，主要功能为接收上位机指令，利用光电传感器检测和统计阅览室的人数，从而控制区域照明设备。

2.2.3 灯控模块

灯控模块为DALI系统，DALI系统分为四个子网，该系统包括网关模块、电源模块、DALI面板、DALI继电器及灯管。子网通过PLC通信端口传来的485总线信号，转换为DALI总线信号，从而控制灯具的开关。

2.2.4 人机监控界面

PLC的联网、通信能力很强，上位机通过组态界面实现与PLC进行通信，由上位机实现对PLC的管理，其中界面中包括两种灯控模式：第一种为自动控制模式，在该模式下，藏书区和阅读区的开关灯时间按照设定的时间表进行；第二种为手动控制模式，在该模式下，藏书区通过0-3个灯管开灯数量进行开关灯，而阅读区可通过界面点击进行远程控制各个区域的开关灯。具体界面如图3。

2.3 绿色照明监控系统软件设计

该软件设计流程分为手动控制模式和自动控制模式。其中手动控制模式，可以通过人机界面点击对应的区域，向PLC发出指令，控制对应区域的灯具开关，并把灯具开关状态反馈到界面中。自动控制模式主要按时间表和传感器采集信号来自动控制区域灯具。界面中可设定光线充足开馆时间段（8：00-18：00）和光线不充足时间段（18：00-22：00），流程图如图4。

3 实验结果

传统照明开关模式与绿色照明开关模式如表1。

隨机抽取一个月现场统计数据，其中阅读区，室内人数峰值出现在晚上20：00-21：00，达6138人。

实验数据显示，该月阅览室人数峰值为6138人，入座率达88.4%。传统照明的月累计用电量为2028.25千瓦时，绿色照明的累计用电量为1080.18千瓦时，总节能比例如下：

4 结论

高校图书馆阅览室长期服务于广大的学生读者，他们的学习与图书馆密不可分，该系统按照中国图书馆管理的目标模式，结合国际先进的管理思想，总结用户需求，应用现代最新信息技术，面向大型/高级建筑而设计的，协助管理者在保证服务质量同时，最大限度地降低能耗，实现节能/智能控制，提高服务质量及高工作效率，降低运营费用。下一步，可以研究阅览室另外一个能耗大的设备：空调，该系统还能与空调控制系统结合，实现楼宇控制平台，通过TCP/IP网络纳入到监控管理研发平台上，在平台上进行统一的管理和监控。

注：实用新型专利：一种图书馆照明节能控制系统 ZL 2015 2 0954524。

参考文献：

[1]周毅，张静，王秀平.智能电网电子电力技术的应用[J].商品与质量，2015（43）：4.

[2]苏艺.电力监控系统在供配电设计中应用的研究[J].黑龙江科技信息，2017（26）：38-39.

[3]汪鑫磊.智能照明节能控制系统研究[J].科技展望，2016，26（28）：144.

[4]刘云.高校照明用电管理对策[J].电力需求侧管理，2004，6（4）：45-46.

[5]桂要生，向桥，杨康.基于红外技术的智能照明控制系统设计[J].计算机与数字工程，2009，37（8）：102-104.

[6]琚林涛.空压机远程监控系统设计[J].机械管理开发，2016（12）：87-89.

[7]曾华沛.位置控制计算机远程监控系统的研究与设计[J].通讯世界，2017（5）：24-25.

[8]何俊剑，罗先喜.基于异构网络的城市道路照明管控一体化系统实现[J].电子世界，2017（22）：117-118.

[9]黄建灯.红外传感器探测人体运动特征的分析研究[J].激光杂志，2017，38（1）：65-68.