高校教室照明節能系統探討

來永斌+張開宇+舒俊峰+陳靜+陳秀

摘 要：針對高校教室照明系統能耗大浪費多的問題，利用紅外裝置和人臉識別系統，設計了一套高校教室照明節能系統。系統將教室分為幾個區域，利用紅外裝置周期掃描人體信號，能夠實現無人自動關燈，并且在人員過于分散情況下，部分分區也會自動關燈，促使人員集中。該系統較好地解決了高校教室照明系統能耗大浪費多的問題，顯著提高了電能的使用率。

關鍵詞：紅外裝置 ?人臉識別 ?分區 ?節能 ?照明

中圖分類號：G64 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（b）-0107-02

Discussion on Energy Saving Lighting System in University Classroom

Lai Yongbin1 Zhang Kaiyu1 Shu Junfeng1 Chen Jing1 Chen Xiu2

（1.Mechanical Engineering College of Anhui University Of Science And Technology;2.College of chemical engineering， Anhui University Of Science And Technology，Huainan Anhui 232001，China）

Abstract：Aiming at the much waste of university classroom lighting system， a set of classroom lighting energy saving system was designed using infrared detection device and face recognition system. Classroom was divided into several regions. By scanning the signal of human body with ? infrared device periodically， the lights in the unmanned regions can be turned off automatically. And if students are too scattered， lights in some regions will also be turned off automatically to assemble the people. This system solved the problem of the much waste of university classroom lighting system and increased energy usage ratio significantly.

Key Words：Infrared Detection Device;Face Recognition System;Partitions;Energy Saring;Lighting

由過度消耗化石燃料所導致的全球變暖引起了世界范圍的廣泛關注。而全球變暖又給社會經濟的發展帶來嚴重損失，深刻觸及到能源安全、生態安全、水資源安全和糧食安全，甚至威脅到人類的生存。我國經濟的快速發展導致對能源生產和消費需求的迅速增長。目前，我國溫室氣體排放總量已居世界第二位。研究表明，我國的能源系統效率為33.4%，比國際先進水平低10個百分點，電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織8個行業主要產品單位能耗平均比國際先進水平高40%，機動車油耗水平比歐洲高25%，比日本高20%，單位建筑面積采暖能耗相當于氣侯條件相近發達國家的2～3倍。因此我國發展低碳經濟，從多領域多方位進行節能減排，迫在眉睫。

電能的節約也是發展低碳經濟進行節能減排一個重要環節，雖然智能照明控制系統已被應用到酒店、賓館、廣場、銀行等場所，并且取得了良好的使用效果與社會、經濟效應，但長期以來，如何將智能照明控制系統設計應用到學校中卻沒有比較理想的方案。

1 傳統照明控制方式的局限性

目前，常用的對人體信號進行檢測來實現教室照明燈開關控制的方案主要有兩種。一種是將教室作為一個整體，在教室門口安裝紅外熱釋電傳感器統計進出教室的人數，同時通過室內安裝的光敏傳感器檢測光強，根據進入教室的人數打開相應數量的燈。這種方案成本低、設計方便，但檢測精度低，當教室門口出現人群擁擠或人流不斷的情況時就難以正常計數，并且這種方法控制過于簡單，節能效果也不好。另一種方案是將教室分為幾個區域，每個區內裝一個人體存在探測器，探測區域內是否有人，當光強不足時，探測到哪個區域有人就打開哪個區域的燈，同時其他區域不受影響。這種方案效果較好，但設計中控制方法不夠完善，當人員分布較為分散時，會打開過多的燈，引起不必要的浪費，不能達到理想的節能效果。該文所提出的高校教室照明節能系統是針對第二種方案加入人臉識別系統而改進的。

2 高校教室照明節能系統的設計

2.1 紅外傳感器

一般來說，我們可以認為任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外傳感器正是利用物質本身這一性能而制成。紅外傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路。光學系統按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。紅外傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優點。endprint

2.2 人臉識別系統

人臉識別是一項新興的生物識別技術，它廣泛采用區域特征分析算法，融合了計算機圖像處理技術與生物統計學原理，利用計算機圖像處理技術從視頻中提取人像特征，通過生物統計學的原理進行分析建立數學模型。現有的人臉識別系統已經基本成熟。

對于高校來講，在教室監控系統總機中加裝人臉識別系統，僅是安裝軟件一項簡單的工作，并不復雜。利用人臉識別軟件實時檢測教室中人數，通過總線控制，決定保留那些區域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現人臉識別軟件，在實現對教學情況監督的同時，可以完成自動化考勤，更能進一步實現對電力資源的節約。

2.3 高校教室照明節能系統

如圖1所示，根據紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區域，紅外裝置與每一區域上用電器串聯。教室開放時，若某區域內有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯該區域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時，則自動斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態，并按照設置時間進行周期檢測掃描。

當教室中人員分布較為分散時，紅外控制器檢測到人員存在就會使所控燈具工作，分散分布的幾個人就可能導致教室內大部分燈具工作。在加裝人臉識別軟件后，主機附帶的人臉識別軟件可以檢測到教室中人員數目，按照設定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區域燈具熄滅，達到人員集中的目的。

3 高校教室照明節能系統經濟效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺上方8支，開放時間按一周7日，每天16 h。此外調查結果顯示，大學生中主動踐行節能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節能減排的占83.1%，了解節能減排但是生活中不主動踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態的可能性約為50%。所有燈具平均工作時間達到10 h以上，將消耗功率會超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關由紅外控制器控制，講臺上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環境需要條件下工作，平均每天5 h。學生數量不足以將整個教室坐滿，燈具也就不會全部工作，每支燈具每天平均工作時間可縮短至7 h，一間教室一周可節約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關只需要將教室分為眾多區域，按常規紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區域，安裝費用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節約，可見高校教室照明節能系統經濟效果明顯。

4 結語

該文從低碳經濟和節能減排的角度對高校教室照明系統進行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識別系統結合，實現了對教室照明系統的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統能耗大浪費多的問題，顯著提高了電能的使用率，節約了電力資源。

參考文獻

[1] 付允，馬永歡，劉怡君，等.低碳經濟的發展模式研究[J].中國人口資源與環境，2010，18（3）：14-19.

[2] 陳九江，吳桐，王術，等.教室照明系統的智能控制[J].黑龍江大學自然科學學報，2006，23（3）：314-316.

[3] 邢繼俊，趙剛.中國要大力發展低碳經濟[J].中國科技論壇，2007（10）：87-92.

[4] 汪魯才.戴瑜興學校圖書館節能照明系統設計[J].照明工程學報，2001，12 （1）：48-50.

[5] 周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網絡視頻監控技術詳解與實踐[M].北京：清華大學出版社，2010.endprint

2.2 人臉識別系統

人臉識別是一項新興的生物識別技術，它廣泛采用區域特征分析算法，融合了計算機圖像處理技術與生物統計學原理，利用計算機圖像處理技術從視頻中提取人像特征，通過生物統計學的原理進行分析建立數學模型。現有的人臉識別系統已經基本成熟。

對于高校來講，在教室監控系統總機中加裝人臉識別系統，僅是安裝軟件一項簡單的工作，并不復雜。利用人臉識別軟件實時檢測教室中人數，通過總線控制，決定保留那些區域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現人臉識別軟件，在實現對教學情況監督的同時，可以完成自動化考勤，更能進一步實現對電力資源的節約。

2.3 高校教室照明節能系統

如圖1所示，根據紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區域，紅外裝置與每一區域上用電器串聯。教室開放時，若某區域內有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯該區域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時，則自動斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態，并按照設置時間進行周期檢測掃描。

當教室中人員分布較為分散時，紅外控制器檢測到人員存在就會使所控燈具工作，分散分布的幾個人就可能導致教室內大部分燈具工作。在加裝人臉識別軟件后，主機附帶的人臉識別軟件可以檢測到教室中人員數目，按照設定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區域燈具熄滅，達到人員集中的目的。

3 高校教室照明節能系統經濟效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺上方8支，開放時間按一周7日，每天16 h。此外調查結果顯示，大學生中主動踐行節能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節能減排的占83.1%，了解節能減排但是生活中不主動踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態的可能性約為50%。所有燈具平均工作時間達到10 h以上，將消耗功率會超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關由紅外控制器控制，講臺上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環境需要條件下工作，平均每天5 h。學生數量不足以將整個教室坐滿，燈具也就不會全部工作，每支燈具每天平均工作時間可縮短至7 h，一間教室一周可節約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關只需要將教室分為眾多區域，按常規紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區域，安裝費用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節約，可見高校教室照明節能系統經濟效果明顯。

4 結語

該文從低碳經濟和節能減排的角度對高校教室照明系統進行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識別系統結合，實現了對教室照明系統的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統能耗大浪費多的問題，顯著提高了電能的使用率，節約了電力資源。

參考文獻

[1] 付允，馬永歡，劉怡君，等.低碳經濟的發展模式研究[J].中國人口資源與環境，2010，18（3）：14-19.

[2] 陳九江，吳桐，王術，等.教室照明系統的智能控制[J].黑龍江大學自然科學學報，2006，23（3）：314-316.

[3] 邢繼俊，趙剛.中國要大力發展低碳經濟[J].中國科技論壇，2007（10）：87-92.

[4] 汪魯才.戴瑜興學校圖書館節能照明系統設計[J].照明工程學報，2001，12 （1）：48-50.

[5] 周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網絡視頻監控技術詳解與實踐[M].北京：清華大學出版社，2010.endprint

2.2 人臉識別系統

人臉識別是一項新興的生物識別技術，它廣泛采用區域特征分析算法，融合了計算機圖像處理技術與生物統計學原理，利用計算機圖像處理技術從視頻中提取人像特征，通過生物統計學的原理進行分析建立數學模型。現有的人臉識別系統已經基本成熟。

對于高校來講，在教室監控系統總機中加裝人臉識別系統，僅是安裝軟件一項簡單的工作，并不復雜。利用人臉識別軟件實時檢測教室中人數，通過總線控制，決定保留那些區域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現人臉識別軟件，在實現對教學情況監督的同時，可以完成自動化考勤，更能進一步實現對電力資源的節約。

2.3 高校教室照明節能系統

如圖1所示，根據紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區域，紅外裝置與每一區域上用電器串聯。教室開放時，若某區域內有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯該區域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時，則自動斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態，并按照設置時間進行周期檢測掃描。

當教室中人員分布較為分散時，紅外控制器檢測到人員存在就會使所控燈具工作，分散分布的幾個人就可能導致教室內大部分燈具工作。在加裝人臉識別軟件后，主機附帶的人臉識別軟件可以檢測到教室中人員數目，按照設定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區域燈具熄滅，達到人員集中的目的。

3 高校教室照明節能系統經濟效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺上方8支，開放時間按一周7日，每天16 h。此外調查結果顯示，大學生中主動踐行節能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節能減排的占83.1%，了解節能減排但是生活中不主動踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態的可能性約為50%。所有燈具平均工作時間達到10 h以上，將消耗功率會超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關由紅外控制器控制，講臺上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環境需要條件下工作，平均每天5 h。學生數量不足以將整個教室坐滿，燈具也就不會全部工作，每支燈具每天平均工作時間可縮短至7 h，一間教室一周可節約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關只需要將教室分為眾多區域，按常規紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區域，安裝費用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節約，可見高校教室照明節能系統經濟效果明顯。

4 結語

該文從低碳經濟和節能減排的角度對高校教室照明系統進行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識別系統結合，實現了對教室照明系統的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統能耗大浪費多的問題，顯著提高了電能的使用率，節約了電力資源。

參考文獻

[1] 付允，馬永歡，劉怡君，等.低碳經濟的發展模式研究[J].中國人口資源與環境，2010，18（3）：14-19.

[2] 陳九江，吳桐，王術，等.教室照明系統的智能控制[J].黑龍江大學自然科學學報，2006，23（3）：314-316.

[3] 邢繼俊，趙剛.中國要大力發展低碳經濟[J].中國科技論壇，2007（10）：87-92.

[4] 汪魯才.戴瑜興學校圖書館節能照明系統設計[J].照明工程學報，2001，12 （1）：48-50.

[5] 周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網絡視頻監控技術詳解與實踐[M].北京：清華大學出版社，2010.endprint