智能照明在電工實習教學中的實踐

趙春鋒， 范小蘭， 汪敬華， 張世鴻

（1.上海工程技術大學工程實訓中心;2.東華大學信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

照明控制系統是智能家居的核心組成部分，決定了家庭自動化系統的整體能力。智能照明控制系統是集多種照明控制方式、現代化數字控制技術和網絡技術于一身的控制系統。它的出現和發展，不僅可以滿足現代建筑中的照明需求，提升照明環境品質，還可以充分利用和節約能源，使建筑物更加節能、環保。對于改善現代人類的生活質量，創造舒適、安全、便利、綠色的生活空間有著非常重要的意義。從發展趨勢看，新建筑均會實現一定程度的智能照明，智能照明系統的日益普及將是一種必然，在未來，沒有智能照明系統的住宅將不合時代潮流。

電工實習是面向全校工科學生開設的實踐課程，是學生在校內所接受的比較全面的具有工程訓練性質的實踐性教學環節之一。電工實習能使學生了解相關技術的發展前沿，培養學生動手能力和工程實踐能力，為后續課程的學習及專業發展方向的定位奠定了良好的基礎。為此，實習教學在內容安排上盡量做到在有限的時間里讓學生學到盡可能多的知識和技能，通過直接的工程實踐訓練來培養學生的實踐能力，進而培養創新精神。照明線路安裝與調試一直是高校電工實習中的重要環節［1-4］，隨著技術的發展，應用型本科人才的知識結構、層次結構應緊跟當今電工新技術發展的結果。因此，我校作為卓越工程師計劃的試點單位，在電工實習中照明線路安裝與調試實踐模塊引入智能照明控制系統，引領學生緊跟電工新技術的發展與應用，普及電工新技術智能照明及智能家居的一些電工新技術的實踐常識，提高當代大學生的電工技術綜合素質，適應現代化建設的需求，培養工科大學生的創新能力以及工程實踐能力。對學生后續課程的學習以及畢業后所從事的工作甚至將來的現代化生活將產生重要影響。

1 智能照明實驗室建設

1.1 智能照明實驗室硬件條件

我校為配合卓越工程師計劃，于2011年底建設智能照明控制實驗室，以電工實習基礎教學為目的，通過對各類智能照明電氣元件的認識、接線、組裝、編程和調試，進行大量的實際操作，從而提高了學生的動手能力和解決實際問題的能力。為了實現智能照明控制實訓教學要求，將整個實驗室分為2個功能區域，分別為講課區和實訓區，實訓區由兩居室樣板房和六套實訓臺組成。圖1為智能照明實驗室平面布置示意圖，圖2為智能照明實驗室現場實景。在兩居室樣板房內設置筒燈、熒光燈等多種燈具，燈具的數量和布放位置能夠同時滿足模擬小型會議室、辦公室、客廳、臥室等不同場合多種燈光場景的需要，使學生切實體會真實的控制場景。

圖1 智能照明實驗室平面布置示意圖

1.2 智能照明KNX控制系統介紹

實訓區的兩居室樣板房及實訓臺裝置智能照明控制系統均采用KNX協議控制系統。在1999年5月，歐洲三大總線協議EIB、BatiBus和EHSA合并成立了Konnex協會，提出了KNX協議，采用KNX協議的廠家眾多，例如施耐德、西門子、ABB、南京天朔等，在樓宇自動化和智能照明控制網絡中應用廣泛。我校智能照明實驗室采用Schneider施耐德生產的元器件，智能照明控制實訓裝置系統示意圖如圖3所示。每套實訓裝置均配有網絡電源模塊、開關執行器、調光執行器、窗簾/開關驅動器、USB數據接口、多功能按鈕開關、移動感應器、氣象感應器、監控編程計算機、時鐘管理器等部件組成。所有單元器件（除電源外）均內置微處理器和存儲單元，由信號總線連接成網絡，每個單元均設置唯一的單元地址，并使用ETS軟件設定其功能，通過輸出單元控制各照明回路負載，對白熾燈、熒光燈等多種光源進行開關或調光，對窗簾開度進行控制。通過電腦編程的各元件既可獨立完成諸如開關、調光、控制等工作，又可根據要求進行不同組合，從而實現不增加元件數量而功能卻可靈活改變的效果，同時又可通過中控電腦進行本地或遠程集中監視和控制［5-7］。

圖2 智能照明實驗室實景

圖3 智能照明控制實訓裝置系統示意圖

2 智能照明控制在電工實習中的教學實踐

2.1 實踐教學內容安排

智能照明常用的控制方式有預設場景控制、群組組合控制、定時控制、光感探頭控制、就地控制、遠程控制、圖示化監控、應急處理、日程計劃安排等。具體內容為：①預設場景控制。用戶預設多種場景，按動一個按鍵，即可調用需要的場景。②群組組合控制?？稍O定一個按鍵，對多個照明回路進行燈光控制，即一鍵可控制整個場所的照明開關。③ 定時控制。根據預先設定的時間，觸發相應的場景，使燈光打開或關閉。④光感探頭控制。根據光感探頭探測到的照度，控制照明場所相關燈具的打開或關閉。靠近外窗的燈具可采用光感探頭，根據天然光的亮度進行開/關，以節約用電。⑤ 就地控制。一般情況下，控制過程自動進行。在某些情況下，可使用控制面板來強制調用需要的照明場景模式。⑥應急處理。在接收到安保系統、消防系統的警報后，能自動將指定區域照明全部打開。⑦日程計劃安排?？稍O定每天不同時間段的照明場景狀態，并將場景調用情況進行記錄、打印輸出，方便管理。結合卓越計劃試點班級的實際教學情況，本著普及智能照明這一電工新技術，著力提高工程創新能力培養，制定智能照明控制實訓項目如表1所示［8-9］。

表1 智能照明控制實訓項目表

智能照明控制實訓教學內容分為基礎實踐項目和任務驅動型實踐項目兩種?；A實踐內容分為照明配電板的安裝、智能家居控制器件的認識與實踐、兩地控制及常用照明電路的安裝、智能調光控制線路的安裝與調試、窗簾自動控制線路的安裝與調試5個實訓內容，5個模塊內容相輔相成，內容循序漸進。實訓項目1使學生的照明電路讀圖、電工常用工具得到應用和鍛煉，認知照明開關、插座的規格及選用原則。實訓項目2使學生了解智能照明元器件的功能和作用，電路接線方法，以及熟悉ETS軟件使用及器件配置方法。實訓項目3、4、5通過智能器件的實際安裝、接線、軟件設置及調試，掌握普通照明控制線路與智能照明控制線路之間的差異，掌握開關模塊、調光模塊、窗簾控制模塊與智能傳感器的線路安裝及軟件配置，實現基于智能照明總線的照明開關與調光控制、窗簾自動線路。

任務驅動型實踐項目實訓時將班級分組，根據實際情況每個小組3～6名同學，實訓項目6智能家居的場景控制與調試又分為：①小型會議室的照明設計與控制，②起居室照明設計與控制，③ 客廳照明設計與控制。實訓項目7安防控制線路的安裝與調試，要求智能照明控制系統可與安防實現通訊聯動，當發生火警或入侵報警時，聯動報警區域燈光并向上級報警，又分為：①典型兩居室的安防控制線路的安裝與調試;②典型辦公室的安防控制線路的安裝與調試。實訓時，根據專業和學生興趣不同，小組完成一個任務驅動型實踐項目，學生需要查閱圖書、廠家等資料，根據講義中項目要求完成電路設計，器件選型，接線，編程及調試。首先，需要學生根據空間平面圖設計現場基本照明布燈圖及照明控制方案;其次，設計基于智能照明器件的照明電器原理圖，照明控制柜安裝接線圖，進行照明配電線路的設計;再次，進行照明線路的安裝，布線槽、控制模塊、照明燈具的安裝，并對安裝后的器件進行電氣線路接線，線路檢查確認;然后，才可進行照明控制系統智能器件編程等［10-13］，完成整理調試。

2.2 教學成效

通過在電工實習照明模塊中引入智能照明控制系統的教學改革和探索，在實驗室現場教學，將理論教學與實踐教學有機地結合，教學中將基礎實踐內容和任務驅動型實踐項目有機結合，先基礎后綜合設計，引導學生自主學習，自主操作，極大地提高了學生的學習興趣，使學生在學習和掌握KNX總線基本理論知識、智能器件編程的同時，獲得智能照明控制系統較全面的訓練，提高了智能照明新技術的應用能力，使教、學、用達到了統一。具備分析與解決問題的能力、實際操作技能和工程應用能力，達到掌握智能照明專業技能的目的。

3 結語

電工實習是實踐教學過程的一個重要環節，是學生鞏固電工所學理論知識、培養專業技能和實際工作能力的重要課程，是學生提高動手能力、縮短與工程技術人員差距的有效途徑。與傳統照明相比，智能照明可達到安全、節能、舒適、高效的目的其先進性和優越性勿庸質疑。近些年，隨著國民經濟的快速發展，智能照明行業迅速發展，家居領域的智能照明應用有望得以普及。智能照明控制實驗室的建立，引領學生緊跟電工新技術的發展與應用，讓相關專業學生對智能照明控制系統的具體應用有了直觀的認識和了解，通過實踐，讓學生學習和掌握智能照明系統的應用操作和場景設計，增強了他們的動手能力、創新能力，培養了他們的學習積極性，提高了當代大學生的電工技術綜合素質［14-16］。

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