高校教室燈光節能控制系統的設計

鄭國恒 周瑤 張柯

(鄭州大學 物理工程學院，鄭州 450001)

1 引言

隨著社會經濟和科學技術的發展，人類社會的進步越來越依賴于資源的開發與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數量形成了巨大的矛盾。在尋找替代品、提高能源利用率和節約能源等幾種緩解能源危機的途徑中，節能無疑是符合可持續發展要求且“可以從身邊做起”的選擇。據統計2005年，我國全社會的總用電量約為24000億kW·h，照明用電量約為3000億kW·h，且每年以13% ～14%的速度遞增，預計到2010年，照明用電量將超過5000億 kW·h，新增照明用電2000億 kW·h［1］。對高等院校，據測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40%左右［2］，可見在保證照明質量的前提下，對教室燈光進行自動控制，其節能效益和經濟效益都是相當可觀的。

基于以上情況，本設計根據時間、照度、人員分布情況等對教室燈具進行自動控制，采用集成光頻轉換器TSL230對照度進行較為準確檢測;在人數探測上引入模糊人數和人數閾值，不再單一的依靠人體存在信號進行開關燈控制，增強了節能效果，進一步完善控制方法，使設備的性能更加穩定可靠;多模式控制且各模式之間自動切換，使系統使用更加靈活，便捷。

2 系統設計

該系統采用主從結構，由上位機和下位機兩個部分組成。

2.1 上位機

上位機主要實現以下功能:

(1)通過鍵盤完成設定密碼、初始化時間、設置照度人數閾值和設置工作時間等任務。

(2)通過信號探測器判斷控制模式。

(3)根據接收到的下位機數據，及內部存儲的照度閾值和人數閾值計算控制燈組，并向相應下位機發出開關燈指令。

(4)通過LCD顯示當前工作狀態和工作模式。

上位機由5V穩壓電源模塊、微控制器STC89C54、時鐘模塊、液晶顯示模塊、數據儲存模塊、485通訊模塊、自動/強制開關以及由中斷擴展的按鍵模塊 (其中包括確認鍵，增減鍵和移動光標鍵)組成 (如圖1)。

圖1 上位機硬件圖

2.2 下位機

下位機的主要功能如下:

(1)通過紅外熱釋電傳感器和光頻轉換器實時采集人體存在信號、模糊人數和照度信號，將采集到的數據發送給主機。

(2)依據主機發回的命令對燈組進行開關控制。

下位機主要包括:中心處理芯片 AT89C2051、5V穩壓器、光頻轉換模塊、紅外熱釋電模塊、地址選擇器、看門狗電路、485通訊模塊以及固態繼電器組成的功率器件等 (如圖2)。

圖2 下位機硬件圖

3 硬件部分

3.1 主從機中心處理芯片

選用 STC89C54、AT89C2051單片機，其價位低，可多次擦寫，應用范圍廣泛。單片機在系統中與其他電路模塊配合完成如上所述的上、下位機功能。

3.2 顯示模塊和按鍵模塊

為了便于對系統進行初始化、參數設置和模式選擇，主機配置了LCD顯示屏和由四個按鍵組成的按鍵模塊。顯示部分選用帶中文字庫的液晶顯示模塊LM3033。四個按鍵由一個外部中斷擴展而成。由于液晶顯示字數和版面的限制，系統采用分屏顯示，需要用按鍵控制光標移動進行選屏;并在參數設置時，使用按鍵對數值進行增減控制。

通過可視化界面對系統的照度閾值，人員閾值和工作時間進行設置，使用戶可以根據實際情況和需要靈活的設置參數，在增強系統可用性的同時，擴大了系統的應用范圍。加入密碼控制界面，增強系統運行的安全性，明確了用戶的設置權限。

3.3 光頻轉換模塊［3］

系統選用可編程光頻轉換器TSL230作為光頻轉換模塊的主芯片。TSL230是新一代集成化的智能傳感器，它將可配置的光電二極管陣列和電流/頻率轉換器等集成在單片集成電路中，無需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉換，輸出較高精度的數字信號，是一種高性能、低價位的智能傳感器。其輸出為占空比50%的方波，且輸出頻率與照度成線性關系，靈敏度可調。

3.4 紅外熱釋電人體探測模塊

紅外熱釋電模塊由紅外探頭和信號處理芯片LP0001組成。LP0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾，內設延遲時間定時器和封鎖時間定時器。該芯片可以對信號進行放大，鑒相，整形及展寬，其靜態電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器。

另外，系統選用MAX485芯片實現主機與多個從機之間的數據傳輸與命令控制。選用MAX813芯片對下位機進行監控，在系統出現故障時對下位機進行復位。用撥碼開關對多個從機進行地址設置，方便設備的安裝和使用。

4 軟件部分

4.1 設計總體思想

時間、光照度和人員分布構成了系統控制依據的三大要素。將時間作為控制依據之一是為了進一步加強對節能的監管，使工作時間與非工作時間的界限具體化。根據教室光照明暗分布和紅外熱釋電模塊的探測范圍，將教室劃分成方形區域 (如圖3)進行控制。分別將包含光頻傳感器和紅外傳感器的下位機板塊安裝在各區域天花板上，通過下位機對室內光照強度及人員流動情況進行監控，并將采集到的數據送給上位機;上位機將各下位機發來的數據統籌比較，根據設定的人數閾值與照度閾值綜合考慮開關燈決策。這樣設計不僅考慮到了局部，而且能從整體上把握提出開關燈方案，進一步增強了節能效果。

圖3 教室區域劃分

系統在處理由紅外熱釋電傳感器采集到的人體信號時，采用模糊控制理論對各區域人數進行模糊統計，解決了無法對人數進行準確計數帶來的問題，并為人數閾值的判斷打下基礎。加入模糊人數判斷標準 (區域人數大于閾值Y0才開燈)，以解決人數分布過于分散時打開過多燈的問題，增強節能效果。

在照度控制方面，單獨依靠照度小于300 lx就開燈的判斷依據是行不通的:在照度不滿足要求系統開燈后，照度就會大于300 lx，這時系統會誤判照度滿足要求，做出關燈的決定。為了避免這種現象的發生，考慮到自然光與燈光發生的是非相干疊加，可以在控制中加入一個照度上限X0，當自然光與燈光疊加照度大于X0則關燈。于是，開燈的條件就變為在燈未打開時照度小于300 lx和燈打開后照度小于X0。

系統采用多種模式控制，以滿足教室多種功用的需求，其模式主要劃分為:強制模式和自動模式;自動模式又細分為:多媒體模式、板書模式和自習模式。在工作時間內，如有模式信號輸入則系統進入相應的模式;若無則進入自習模式。不在工作時間，如有強制手動信號輸入，則根據手動任務的設定運行;若無則關閉所有的燈。程序主流程圖如圖4。

圖4 程序主流程圖

4.1.1 各模式的控制方式和實現

4.1.1.1 強制模式

管理員將自動/強制開關置為低電平，使系統進入強制模式。在強制模下，通過按鍵設置開關任意區域的燈，不再受工作時間、照度和人員分布的限制。

4.1.1.2 自動模式

管理員將自動/強制開關置于高電平，系統進入自動模式運行。

4.1.1.2.1 自習模式

當無任何模式信號輸入時，系統進入自習模式。在該模式運行時，系統先檢測教室內是否有區域亮燈，然后檢測光照度是否達到國家規定的300 lx。若是光照度大于此標準，不管區域有沒有人都不開燈;若是小于則探測區域是否有人，有人則根據情況開燈，無人則不開燈。具體開關燈控制規則如下:

1.開燈

當照度不足時有人進入教室，如果教室內沒有區域亮燈則打開人所在區域的燈，若是再有人進入，則檢測第一個開燈區域的人數是否大于Y0，若不大于則不再打開其他區域的燈，若大于則采集各有人區域內的人數，并將人數進行比較，打開未亮燈區域中人數最多的區域的燈，依此循環打開第三區，第四區……的燈。如果教室里有已亮燈區域，則分別記錄這些區域的人數，如果有區域的人數少于標準值Y0，不再打開其他區域的燈;如果都大于該值，則打開未亮燈區域中人數最多的區域的燈。

2.關燈

開燈后，在自然光照不足 (照度小于 X0)的情況下，教室中只允許有一個亮燈區域的人數小于Y0，如有多個區域人數小于 Y0，則保持這些區域中人數最多的區域的燈打開，關閉其他。在一個區域內連續檢測不到人體存在信號則關閉該區域的燈，當教室無人則關閉所有的燈。若自然光照充足，則關閉該區域的燈。程序流程如圖5。

圖5 自習模式流程圖

4.1.1.2.2 板書模式

板書模式和自習模式的不同在于講臺上是否亮燈。要板書講課，老師必然出現在講臺上，所以，板書模式的輸入信號就轉換成了通過安裝在講臺上方的從機板探測人體存在信號。當講臺上t時間內一直有人才認為講臺有人。當講臺上有人且無投影信號輸入則進入此模式;該模式下對座位區依然采用自習模式的控制規則。特別說明，講臺區域與別的區域是相互獨立的，即不受別的區域內人數多少與燈亮與否的影響，又影響不到別的區域，開關該區域的燈還加入了照度的判斷。

4.1.1.2.3 多媒體模式

多媒體模式則是通過安裝在投影機電源導線上的光電耦合器來判斷導線中是否有電流通過，若有則認為投影機在工作狀態，則自動切換到投影模式。進入該模式則關閉前面區域的燈具，對教室后面區域依然采用自習模式的控制規則。

4.2 液晶顯示界面

液晶顯示界面流程如圖6。該流程的實現由可視界面和按鍵共同完成。系統在初始化之后，可通過由一個外部中斷擴展的四個按鍵進行界面轉換和參數設置。在不同界面，按鍵的作用不同，用戶可根據界面提示輕松完成一系列設置。

4.3 通信子程序［4］

為了避免發生多從機同時占用數據線的情況，RS485通信采用主機廣播，從機監聽的模式。當主機發送地址幀時，只有與呼叫地址相符的從機做出回應，其他從機仍保持監聽狀態。地址相符的從機隨后根據主機發來的命令幀做出相應的反應。

圖6 液晶顯示界面

5 結論

綜上，經過多次實驗證明，本設計性能穩定可靠，達到了較好的節能效果。設備采用光頻轉換器TSL230克服了以往設計中不能準確測量照度的問題;加入模糊人數閾值判斷標準解決了人員分布過于分散時打開過多燈的問題;另外，多模式控制的自動探測轉換使系統運行更加智能便捷。在節能觀念深入人心的今天，人們很容易接受這樣低成本、高性能、操作簡便的節能產品。

［1］最有效的照明節能方法及合理設計.中國節能行業網，www.hpnet.com.cn

［2］張艷雯.教室照明的經濟分析及節能措施.岳陽師范學院學報 (自然科學版)，2001，(2)

［3］TSL230，TSL230A，TSL230B PROGRAMMABLE LIGHTTO －FREQUENCY CONVERTERS.Copyright W 1995，Texas Instruments Incorporated

［4］馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計.北京:北京航空航天大學出版社，2007