李桂香+張君玲+鄒宇琳+彭振武+菅子心+李凱峰

摘 要：傳統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)無法有效迎合目前高校教室照明節(jié)能控制的需求，因而需要研究新的高校教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)。文中針對目前高校教室照明問題，設(shè)計了一種面向高校教室的照明節(jié)能控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；傳感器；照明；教室；控制

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

現(xiàn)階段，生態(tài)環(huán)境惡化問題日益嚴(yán)峻，煤炭、石油等不可再生能源過度開采，廣大人民群眾的日常生活將面臨前所未有的挑戰(zhàn)，節(jié)能環(huán)保的壓力愈來愈大。2017年10月18日，習(xí)近平同志代表十八屆中央委員會向中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會作的報告中特別提出“堅持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的方針，形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式、生活方式，還自然以寧靜、和諧、美麗”。國務(wù)院也于2016 年 12 月 20 日發(fā)布了《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》。社會各界在思想上和行動上都與黨中央、國務(wù)院的相關(guān)政策報告步調(diào)相一致，也在努力落實節(jié)能減排工作，并采取了一些更為積極有效的政策、措施和手段。作為培養(yǎng)下一代精英人才的高校，如何把握時代契機(jī)，將節(jié)能減排落實到高校的方方面面是每個高校管理者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

1 高校教室照明問題

1999年擴(kuò)招后高校大學(xué)生的人數(shù)增長迅猛，高校大肆擴(kuò)建校區(qū)，教室數(shù)量呈直線增長趨勢，新建教室寬敞明亮，照明設(shè)施得到了極大改善，但教室“長明燈”問題亦隨之而來，照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重。與中小學(xué)生在固定教室上課不同，高校大學(xué)生沒有固定的教室，都根據(jù)高校教務(wù)系統(tǒng)的課表前往相應(yīng)的教室上課，而往往上課地點(diǎn)多變，這種開放式的教學(xué)模式導(dǎo)致大學(xué)生群體沒有養(yǎng)成隨手關(guān)燈的習(xí)慣。即便是在室外光照充足，或高校教室和自修室內(nèi)無學(xué)生或?qū)W生人數(shù)很少的情況下，高校教室和自修室的所有日光燈都一直長開照明。人走燈不媳的現(xiàn)象不只在一所高校存在，而是幾乎所有高校的通病，大家司空見慣，不以為奇。盡管一個教室和自修室的日光燈開一天能耗有限，但高校教室和自修室基數(shù)龐大，日積月累，每個月的用電量十分可觀；再者，長時間使用燈具也會降低燈具的使用壽命。根據(jù)相關(guān)部部門統(tǒng)計結(jié)果顯示：高校水電費(fèi)用的支出約占總支出的20%～25%，其中用電經(jīng)費(fèi)支出遠(yuǎn)超用水經(jīng)費(fèi)支出，而高校教室照明的浪費(fèi)主要源自于長明燈、白天亮燈、人少燈全亮以及舊燈管更換不及時等。有人初步估算過：每年全國所有高校因沒有及時關(guān)閉電源開關(guān)而浪費(fèi)電能超2×109kW·h，如不能及時有效地解決能耗問題，這個比例還將隨著高校校園的擴(kuò)建而逐步上升[1-4]。我們以湖南工學(xué)院為例，假設(shè)湖南工學(xué)院現(xiàn)有教室、實驗室及實習(xí)工廠等約200間，以節(jié)電率平均30%為目標(biāo)，則一年可節(jié)電2.43×104 kW·h，合計可為學(xué)校節(jié)約電費(fèi)15萬～20萬元，因此教室、實驗室以及實習(xí)工廠等教學(xué)場所的照明節(jié)能刻不容緩，必須將其置于重要地位。

2 教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

國外很早以前就開始探討如何應(yīng)對高校教室“長明燈”的問題，也取得了一些成果。如美國、日本、法國、德國和瑞士等國家，開發(fā)了自動控制系統(tǒng)來控制教室照明用的燈具、風(fēng)扇和空調(diào)等耗能電器，切實降低了能耗。在我國，現(xiàn)階段大部分高校的自動化程度不高，主要依靠人工管理，教室的照明由上課學(xué)生或教室管理員控制。但也有一小部分高校采取了一些卓有成效的節(jié)能控制方法。如南京航空航天大學(xué)根據(jù)學(xué)生人數(shù)分層分區(qū)開放教室；山東科技大學(xué)從教室照明燈具分析入手著力實現(xiàn)照明節(jié)能；上海海洋大學(xué)開發(fā)應(yīng)用了一套集能耗檢測、數(shù)據(jù)自動分析、節(jié)能控制管理等多種功能于一體的學(xué)校能耗監(jiān)測系統(tǒng)。但這些方法還存在不少問題，比如安裝或改造費(fèi)用高且頗為不便，存在節(jié)能控制系統(tǒng)購置費(fèi)用昂貴、能耗大等缺點(diǎn)，因此需要根據(jù)湖南省高校教學(xué)樓照明現(xiàn)狀，深入分析影響教室照明控制的因素，合理設(shè)計智慧校園教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，對每個教室照明情況進(jìn)行監(jiān)控，并將監(jiān)控過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，執(zhí)行控制中心發(fā)出的相關(guān)指令，實現(xiàn)教室照明的有效監(jiān)控。

2.1 影響教室照明控制的因素

2.1.1 光照強(qiáng)度

教室光照度是指可見光照射到教室單位面積的光通量，規(guī)定其單位為勒克斯（Lx）。根據(jù)我國建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB50033-2013）要求，教室光照強(qiáng)度的照度均值不應(yīng)小于 300 Lx，且桌面上的采光系數(shù)應(yīng)該高于2%，黑板前的照度值應(yīng)不小于500 Lx[1]。因此，我們在設(shè)置光照強(qiáng)度閾值時需要參照此標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 作息時間

雖然每個高校的具體作息時間各不相同，但都會有一段固定的時間需要開、關(guān)教室內(nèi)的照明設(shè)備。例如，寒、暑假期學(xué)生已放假回家，正常工作日晚上12點(diǎn)以后，各高校的教學(xué)樓要關(guān)門封樓，并關(guān)閉照明設(shè)備，此外，我們還要區(qū)分夏季和冬季的作息差異。

2.1.3 教室人數(shù)

擬設(shè)計的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)的目標(biāo)是要能夠最大程度實現(xiàn)節(jié)能化控制，如果我們僅僅只做到“人來開啟照明設(shè)備、人走關(guān)閉照明設(shè)備”或者“有人開啟照明設(shè)備，沒人關(guān)閉照明設(shè)備”，那么就沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此我們需要根據(jù)教室內(nèi)具體的人數(shù)和人數(shù)分布來判斷打開哪個區(qū)域的照明設(shè)備，或開多少照明設(shè)備。

2.2 教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

根據(jù)智慧校園環(huán)境的實際部署需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，確定了一種層次化的網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，該架構(gòu)由監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、長距離無線輪詢網(wǎng)絡(luò)、Internet和控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器組成。

傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以一棟教學(xué)樓為一個簇，在每一棟教學(xué)樓的教室監(jiān)控點(diǎn)中均部署了一組傳感器節(jié)點(diǎn)。長距離無線輪詢網(wǎng)絡(luò)由多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和一個匯聚節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被部署到每一棟教學(xué)樓內(nèi)，并將來自鄰近教學(xué)樓的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站處的匯聚節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)都被部署在開放空間區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間沖突較為嚴(yán)重，因此我們采用了輪詢網(wǎng)絡(luò)。輪詢網(wǎng)絡(luò)具有較高的信道利用率和較低的維護(hù)開銷，且具有很好的可擴(kuò)展性。匯聚節(jié)點(diǎn)通過Internet將來自長距離無線輪詢網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)推送到數(shù)據(jù)服務(wù)器?？刂浦行臄?shù)據(jù)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)和基于Web的控制操作界面以方便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)瀏覽和分析。endprint

經(jīng)過對我?，F(xiàn)有校園樓層分布與網(wǎng)絡(luò)布局的調(diào)查分析，假如重新布局，則需要額外增加一筆不小的開支，所以我們在原有網(wǎng)絡(luò)布局的基礎(chǔ)上，為每個教室分配唯一的IP地址，通過傳感器節(jié)點(diǎn)將每個教室的控制單元接到每棟教學(xué)樓的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由長距離無線輪詢網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)借助Internet推送到控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)了由教室照明控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器直接與教室控制單元交互的目標(biāo)。而教室控制單元負(fù)責(zé)教室光照、學(xué)生人數(shù)和學(xué)生區(qū)域分布及開關(guān)教室耗能設(shè)備等信息的采集。具有以下功能：

（1）通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet實現(xiàn)與控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信，根據(jù)控制操作命令開關(guān)教室照明設(shè)備；

（2）教室內(nèi)的師生員工也可以管理教室，按下強(qiáng)制鍵后，手動操作控制教室照明設(shè)備。

2.3 教室控制單元的設(shè)計

教室照明節(jié)能控制單元是教室照明控制系統(tǒng)中最基本也是最重要的單元，主要由AT89S52單片機(jī)、電源模塊、晶振模塊、復(fù)位模塊組成[1]，如圖1所示。

教室控制單元通過無線接收教室現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的光照強(qiáng)度和學(xué)生人數(shù)閾值進(jìn)行開關(guān)照明設(shè)備判斷。具體來說，教室節(jié)能照明控制系統(tǒng)根據(jù)高校自己設(shè)定的夏季作息表或冬季作息表，從光照強(qiáng)度、時間、人數(shù)和教室用途等四個方面來控制教室耗能設(shè)備的開關(guān)，具體分為以下三方面：

（1）當(dāng)教室光線達(dá)到設(shè)定光照強(qiáng)度（Lx）值時，所有照明設(shè)備均不打開；

（2）當(dāng)教室光線低于設(shè)定照度（Lx）值，則根據(jù)教室內(nèi)的人數(shù)和具體用途來動態(tài)控制照明設(shè)備的開關(guān)數(shù)量和模式。例如監(jiān)測到投影儀在工作，則監(jiān)控系統(tǒng)切換成上課模式，處于教室講臺區(qū)域內(nèi)的照明設(shè)備立即關(guān)閉，講臺區(qū)域外的照明設(shè)備根據(jù)光照強(qiáng)度和學(xué)生具體分布區(qū)域情況決定開啟或關(guān)閉。當(dāng)監(jiān)測到講臺上有人存在或有人體移動時，監(jiān)控系統(tǒng)將自動切換成板書教學(xué)模式，教室內(nèi)照明設(shè)備根據(jù)講臺區(qū)域的光照強(qiáng)度決定開啟或關(guān)閉，講臺下方座位區(qū)域的照明設(shè)備根據(jù)座位區(qū)光照度的強(qiáng)弱決定是否開關(guān)。當(dāng)監(jiān)測到講臺上沒有人體存在和投影儀工作的信號時，則監(jiān)控系統(tǒng)切換成自習(xí)模式，只根據(jù)學(xué)生人數(shù)和座位區(qū)域的光照強(qiáng)度決定照明設(shè)備是否開啟。

（3）若教室內(nèi)無人或室內(nèi)光線強(qiáng)度滿足設(shè)定照度要求時，節(jié)電裝置延時5～10 min后自動關(guān)閉供電電源。當(dāng)教師或?qū)W生因為教學(xué)需要而開或關(guān)燈時，可以手動操作，關(guān)掉自動控制模式，使系統(tǒng)更加人性化。

2.4 教室內(nèi)的照明區(qū)域劃分

為了最大程度進(jìn)行教室的照明節(jié)能控制，我們以普通教室為例展開討論，將普通教室分成若干區(qū)域，實行分區(qū)域照明。為達(dá)成這一目標(biāo)，首先我們可根據(jù)階梯大教室光照強(qiáng)度的明暗區(qū)域分布，將其劃分為幾個區(qū)域，并對每個區(qū)域采用分組照明方式。如果簡單按行或列進(jìn)行分區(qū)，可能導(dǎo)致一部分區(qū)域很亮，而一部分區(qū)域很暗的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于兼顧照明和節(jié)能。因此，我們在進(jìn)行教室照明區(qū)域的劃分時，不僅應(yīng)該充分考慮具體的教室光照強(qiáng)度的明暗情況和教室內(nèi)照明設(shè)備的數(shù)量，還要兼顧學(xué)生的學(xué)習(xí)和視力，節(jié)約用電。區(qū)域劃分如圖2所示。

在具體的教室照明控制過程中，如果我們僅僅考慮具體的教室光照強(qiáng)度和教室內(nèi)照明設(shè)備的數(shù)量，就可能出現(xiàn)教室無人但照明設(shè)備全開的情況，因此還需要加入對人數(shù)的計算。我們可以根據(jù)教室的實際情況，設(shè)定教室的人數(shù)閾值（經(jīng)過反復(fù)試驗，我們認(rèn)為將閾值設(shè)定為 16最佳），當(dāng)教室區(qū)域光照強(qiáng)度低于300 Lx 時，教室照明控制系統(tǒng)將對教室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，如果無人，則不開啟照明設(shè)備，而如果有人且人數(shù)小于閾值時，則開啟某一區(qū)域的照明設(shè)備；當(dāng)人數(shù)大于閾值但小于2倍閾值時，則開啟二區(qū)域的照明設(shè)備…依次類推，直到教室內(nèi)的照明可滿足學(xué)生正常學(xué)習(xí)和保護(hù)視力的需要為止。

3 結(jié) 語

照明節(jié)能目前是全社會普遍關(guān)注的問題，也是關(guān)乎節(jié)約型高校創(chuàng)建成敗的主要因素。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，探討了高校教室照明節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法，具有針對性、可操作性、應(yīng)用性等特點(diǎn)，具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實指導(dǎo)意義，對建立節(jié)約型學(xué)校有一定的幫助。

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