學(xué)校智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李應(yīng)生， 龐建麗

（黃淮學(xué)院，河南駐馬店463000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的照明用電占整個(gè)電力的15%左右[1]，實(shí)行節(jié)能的潛力很大。學(xué)校用電照明費(fèi)用是學(xué)校電費(fèi)的主體，人為造成照明能源浪費(fèi)的現(xiàn)象仍然非常嚴(yán)重。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)80%的教學(xué)樓存在著在白天光照良好的情況下教室燈具開啟和在午休時(shí)間長明燈的現(xiàn)象。造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象除了節(jié)能意識薄弱以外，另一個(gè)重要的原因就是節(jié)能照明智能控制器的應(yīng)用與研究不夠，使用的照明電器電光轉(zhuǎn)換效率不高，電器使用壽命短，這些都增大了學(xué)校的用電費(fèi)用。積極開展學(xué)校智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，會大大提高學(xué)校照明電力的管理水平，為校方節(jié)省大量的電費(fèi)支出，為學(xué)校師生提供了一個(gè)更舒適、明亮的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。從而達(dá)到智能節(jié)能照明的節(jié)能、環(huán)保、方便的目的。

1 項(xiàng)目研究開發(fā)的內(nèi)容及目標(biāo)

通過對各類典型學(xué)校的實(shí)地考查、調(diào)研與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。研究教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、學(xué)生寢樓、體育館、行政中心、學(xué)校園區(qū)、學(xué)生生活區(qū)對照明的科學(xué)要求，并根據(jù)控制對象的特點(diǎn)研究整個(gè)校園的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的具體實(shí)施方案。

項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵；（1） 研究學(xué)校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則；（2）控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。

2 學(xué)校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則

電光源的主要特性有發(fā)光效率、顯色性、使用壽命、使用要求及成本等。顯色性通常稱為顯色指數(shù)(R)，它能直觀地描述電光源顯色性能的高低。以太陽光的R=100為標(biāo)準(zhǔn)。光源實(shí)際的R值越高．光源的顯色性能越接近于太陽光，光源的顯色性能也就越好[2]。

主要電光源的技術(shù)性能指標(biāo)見表1所示。由表1中可以看出[3]，如用25 W的普通熒光燈取代100 W的白熾燈，取代后照度增加16%，可節(jié)電75 W，電費(fèi)節(jié)省(節(jié)電率)達(dá)75%。用電子式鎮(zhèn)流器、管徑T8(26 mm)、功率32 W的直管型熒光燈升級換代管徑T12(38 mm)、功率40 W普通熒光燈，取代后照度提高12%、28%，電費(fèi)節(jié)省(節(jié)電率)達(dá)20%。

學(xué)校照明電光源選用堅(jiān)持的原則是燈具效率要高；要按室內(nèi)空間比選擇燈具的配光，提高利用系數(shù)；使用壽命要長，性能價(jià)格要高。不但要獲得良好的照明效果，還要以TOC（客戶總成本）的觀點(diǎn)來計(jì)算分析，即總成本=采購成本+使用成本+維護(hù)成本，同時(shí)要兼顧燈具的外觀與分布設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

表1 主要電光源的技術(shù)性能指標(biāo)

3 教學(xué)樓與圖書館用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則，教學(xué)樓與圖書館的照明電光源應(yīng)優(yōu)先選用T8直管型熒光燈。

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

我國《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50034-2004)規(guī)定教室或一般閱覽室照度的標(biāo)準(zhǔn)值是300 lx[4]。經(jīng)過實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)教室或一般閱覽室照度在200 lx以上時(shí)，基本可滿足照明要求，因此選用分組與分級并用的照明調(diào)光方式。根據(jù)教室或閱覽室座位的多少將室內(nèi)燈具分成組，每組燈具對應(yīng)30個(gè)左右座位，每個(gè)燈罩內(nèi)安裝三個(gè)日光燈管，燈具安裝數(shù)量與位置根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，使燈罩內(nèi)每一個(gè)日光燈管點(diǎn)亮?xí)r，給室內(nèi)提供的照度為100 lx。當(dāng)室內(nèi)照度Ev≥300 lx時(shí)關(guān)閉室內(nèi)所有燈具。當(dāng)室內(nèi)照度Ev＜200 lx時(shí)，則根據(jù)對室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)確定開啟燈具的組數(shù)和燈罩內(nèi)燈管數(shù)量。以室內(nèi)5組燈具（對應(yīng)150個(gè)座位左右）為例，室內(nèi)人數(shù)在1～30時(shí)開一組燈，31～60人時(shí)開兩組燈，依次類推,當(dāng)室內(nèi)人數(shù)在120人以上時(shí)，打開全部的5組燈具，此時(shí)每個(gè)燈罩內(nèi)只有一個(gè)日光燈管亮。當(dāng)室內(nèi)照度下降到在燈罩內(nèi)只有一個(gè)日光燈管亮?xí)r照度依然小于200 lx時(shí),燈罩內(nèi)有兩個(gè)日光燈管同時(shí)點(diǎn)亮。當(dāng)室內(nèi)照度下降到在燈罩內(nèi)有兩個(gè)日光燈管亮?xí)r照度依然小于200 lx時(shí),燈罩內(nèi)三只日光燈管同時(shí)點(diǎn)亮。根據(jù)室內(nèi)照度和人數(shù)的情況對燈具進(jìn)行分組與分級照明調(diào)光控制,實(shí)現(xiàn)“按需亮燈”以達(dá)到節(jié)能目的。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

(1)照度測量單元設(shè)計(jì)。根據(jù)控制需要，照度測量單元必須安裝在第一組燈具光照區(qū)。照度測量電路：如圖1所示[5]，當(dāng)光線照到光電二極管D上時(shí)，光電二極管產(chǎn)生的反向電流與照度成正比，反向電流流過100 kΩ電阻時(shí)會使運(yùn)算放大器A1反向端電位下降，經(jīng)過兩級放大轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生可測量的電壓。由于光照區(qū)照在光電二極管上的照度和轉(zhuǎn)換后的電壓呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，預(yù)先通過調(diào)節(jié)燈光照度，使其在光電二極管上的照度為100 lx，然后保持該照度不變，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R使輸出的電壓為1 V，接著保持R不變，依次驗(yàn)證當(dāng)照度測量單元的照度在100～500 lx變化時(shí)，輸出與其呈線性關(guān)系的電壓在1～5 V。該輸出電壓被送到單片機(jī)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路。

(2)進(jìn)/出室內(nèi)人數(shù)測量單元設(shè)計(jì)。測量單元傳感器采用雙元型熱釋電紅外器件P2288-02，它具有兩個(gè)完全相同的敏感元件，它們按照極化方向反向串聯(lián)，其中一個(gè)敏感元件為噪聲補(bǔ)償元件，蒸涂有紅外反射膜，因此它產(chǎn)生的輸出信號較小。人體從不同方向沿著傳感器前兩個(gè)敏感元件通過傳感器時(shí)其輸出信號波形不同，利用放大電路對傳感器輸出信號進(jìn)行放大，經(jīng)濾波電路、正向電壓峰值保持電路、窗口電壓比較器和與非門組成的邏輯電路對信號進(jìn)行最后的處理，并輸出適合于單片機(jī)計(jì)數(shù)的兩路邏輯電平信號，分別表示人員進(jìn)/出室內(nèi)，并與單片機(jī)的計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1相連，通過計(jì)算進(jìn)/出門的人數(shù)差值得到室內(nèi)的具體人數(shù)。

(3)針對系統(tǒng)的要求，單片機(jī)選用ATmega8TQFP，這是一款價(jià)格低廉的高性能、低功耗單片機(jī)[6]。工作電壓范圍2.7～5.5 V， 8 kB的在線可編程FLASH程序存貯器，1 kB的SRAM數(shù)據(jù)存貯器，512 B的EEPROM，23個(gè)通用可編程I/O引腳，3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，10位精度的ADC，內(nèi)置模擬比較器、看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等電路。

(4)采用繼電器分組與分級控制日光燈負(fù)載，進(jìn)行分組與分級照明調(diào)光。控制信號由單片機(jī)I/O口輸出。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件的主要功能是：照度測量單元輸出電壓的模/數(shù)轉(zhuǎn)換；測量進(jìn)/出室內(nèi)的人員數(shù)量并計(jì)算出室內(nèi)的人數(shù)；根據(jù)設(shè)定的條件，對各組燈具的開/關(guān)進(jìn)行控制。

4 實(shí)驗(yàn)樓用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我國《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定實(shí)驗(yàn)室光照度的標(biāo)準(zhǔn)值是300 lx。實(shí)驗(yàn)室的照明電光源應(yīng)優(yōu)先選用T8直管型熒光燈。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在教學(xué)樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分，改進(jìn)分組方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安放的實(shí)驗(yàn)臺數(shù)和每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺上要求的實(shí)驗(yàn)人數(shù)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈具分成組，每組燈具對應(yīng)4個(gè)實(shí)驗(yàn)臺,每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺上要求的實(shí)驗(yàn)人數(shù)為2人。每個(gè)燈罩內(nèi)安裝三個(gè)日光燈管,燈具安裝數(shù)量與位置根據(jù)室內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。以室內(nèi)5組燈具（對應(yīng)20個(gè)實(shí)驗(yàn)臺）為例,當(dāng)室內(nèi)照度Ev＜200 lx時(shí),則根據(jù)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)確定開啟燈具的組數(shù)。室內(nèi)人數(shù)在1～8人時(shí)開一組燈,9～16人時(shí)開兩組燈,依次類推,當(dāng)室內(nèi)人數(shù)在32人以上時(shí),打開全部的5組燈具。分級照明調(diào)光方式和教學(xué)樓與圖書館用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的分級調(diào)光方式相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光照度和人數(shù)的情況對燈具進(jìn)行控制。

5 學(xué)生寢室用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在學(xué)生寢室每年都會有火災(zāi)發(fā)生，火災(zāi)原因多數(shù)是由于使用大功率電器引起的。為此，學(xué)生寢室節(jié)能照明設(shè)計(jì)還要考慮寢室安全問題。學(xué)生寢室的照明電光源應(yīng)優(yōu)先選用T8直管型或緊湊型熒光燈。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在教學(xué)樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分，增加學(xué)生寢室照明用電電流測量與控制部分，當(dāng)寢室中有人使用大功率電器引起用電電流超過設(shè)定值時(shí)，控制部分就自動切斷該寢室的電源，并發(fā)出警報(bào)聲，直到用電負(fù)載恢復(fù)正常，控制部分就自動接通該寢室的電源，并解除警報(bào)。在學(xué)生寢室中增加煙霧傳感器，當(dāng)寢室中由于其它意外因素引起火災(zāi)初起時(shí)，控制部分就自動接通警報(bào)電路。根據(jù)學(xué)生需要，還可以在寢室中增加紅外傳感器，用于防盜報(bào)警。

6 體育館、行政中心和多功能廳用LED節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LED是冷光源,白光LED的光效和熒光燈的光效相近,使用壽命是熒光燈的10倍。體育館、行政中心和多功能廳照明電光源選用白光LED，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，具有美觀大方，使用安全可靠,便于維護(hù)的特點(diǎn)。

6.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在教學(xué)樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。在第一組燈光照區(qū)，若室內(nèi)照度X＞300 lx時(shí),所有LED燈均不開;若室內(nèi)照度X＜300 lx時(shí),在室內(nèi)有人時(shí)，第一組燈的所有LED燈均開啟，LED釋放到室內(nèi)的平均照度E=300－X。單片機(jī)接收進(jìn)/出室內(nèi)人數(shù)測量單元輸出的信號和光照度測量單元輸出的亮度控制信號。通過單片機(jī)處理,輸出調(diào)節(jié)脈沖,調(diào)節(jié)脈沖經(jīng)隔離、功率放大后接至可控硅控制極，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，來控制LED驅(qū)動電路的輸出,達(dá)到分組與連續(xù)調(diào)光并用的照明控制方式。可節(jié)能超過50%。

6.2 LED照明系統(tǒng)和控制模塊設(shè)計(jì)

采用1 W白光LED，發(fā)光效率為60 lm/W時(shí)[7],一支LED的光通量Ф為60 lm。燈具利用系數(shù)U取0.82，維護(hù)系數(shù)K取0.86，設(shè)計(jì)要求室內(nèi)照度E的標(biāo)準(zhǔn)值是300 lx，每一組燈選用的LED數(shù)是N，對應(yīng)的室內(nèi)面積A取50m2。可求得關(guān)系式E=ФNUK/A，由此式可得每一組燈選用的LED數(shù)N=(EA)/(ФUK)=(300×50)/(60×0.82×0.86)=359(只)。每一組燈選用的LED數(shù)N取360，將360只LED分裝成9只燈。每只燈上安裝40個(gè)LED，40個(gè)LED分成4條串聯(lián)支路。每只燈選用一個(gè)AP22B320 LED驅(qū)動器作為電源，構(gòu)成一個(gè)LED照明控制模塊，電路如圖2所示。

AP22B320是制作一體化半導(dǎo)體燈專用電源變換器,驅(qū)動器使用高頻脈寬調(diào)制式開關(guān)變換電路實(shí)現(xiàn)恒流控制，由220 V交流電供電，輸出320 mA穩(wěn)定的單向脈動恒定電流。每只燈的4條串聯(lián)支路并聯(lián)作為驅(qū)動器的負(fù)載，在驅(qū)動器的輸出回路中串入可控硅，用單片機(jī)控制可控硅的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)每只燈上安裝的LED發(fā)光亮度。在可控硅兩端并聯(lián)阻容串聯(lián)元件吸AP22B320與可控硅產(chǎn)生的諧波干擾。

7 學(xué)校園區(qū)與學(xué)生生活區(qū)道路燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

學(xué)校園區(qū)與學(xué)生生活區(qū)路主干道和次干道的照明光源應(yīng)優(yōu)先選用高壓鈉燈，也可以選用LED照明模塊；小路和小巷宜采用低壓鈉燈。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在行政中心和多功能廳用LED節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分。對照明光源選用高壓鈉燈，在電荷低谷時(shí)，電壓會上升得很高。這樣一方面大大增加了電光源的電耗，另一方面大大降低了電光源和線路的使用壽命。因此，控制部分應(yīng)改為雙向晶閘管(移相觸發(fā))調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)供電電壓的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。增加定時(shí)控制部分，單片機(jī)根據(jù)不同時(shí)間段需要的照度，自動改變照度設(shè)定值。照度設(shè)定值與照度檢測和變送器送來的反饋值進(jìn)行比較。若實(shí)際照度過高時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器自動降低調(diào)壓執(zhí)行器的輸出電壓，反之調(diào)高調(diào)壓執(zhí)行器的輸出電壓，直到實(shí)際照度值與設(shè)定照度值相等為止。主次干道實(shí)行雙回路供電，分全夜燈回路和半夜燈回路，在設(shè)定的時(shí)間下實(shí)行半夜減半照明控制，減去對輔道或人行道的照明。

8 結(jié)論

通過科學(xué)選用學(xué)校照明電光源，利用人體信息與光照信息實(shí)現(xiàn)了對學(xué)校照明燈具的自動控制，可改善學(xué)校環(huán)境，使學(xué)校照明系統(tǒng)平均節(jié)電率30%以上，同時(shí)照明燈具的維修和管理費(fèi)用大為減少，使用壽命延長40%以上，用三年左右的時(shí)間，學(xué)校就可基本收回智能控制系統(tǒng)所增加的全部費(fèi)用。目前在學(xué)校還沒有適合各類學(xué)校的、科學(xué)合理的智能照明系統(tǒng)。為此，開展學(xué)校節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與推廣，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境預(yù)期效益。

[1]胡浩，龍治海.學(xué)校照明節(jié)能控制系統(tǒng)與應(yīng)用電路[J].電工技術(shù)，2010（3）：9-10.

[2]魯照權(quán)，郭劍.常用電光源與照明節(jié)能[J].電力電子技術(shù)，2007，41（2）：99-100.

[3]張君芳.淺談綠色照明及照明設(shè)計(jì)節(jié)能措施[J].廣東科技，2006，150（2）：106-107.

[4]胡耀斌，蔣彥，朱慧玲．室內(nèi)大面積照明的節(jié)能控制研究[J].電測與儀表，2007，11：32-35.

[5]戴杰.基于單片機(jī)的節(jié)能調(diào)光控制器[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2008（9）：2258-2259.

[6]周建新，馬潮.單片機(jī)語言編程開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]趙玲，朱安慶.智能LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（2）：137-139.