教學樓宇智能照明控制管理系統的設計

摘 要： 針對目前高校教學樓照明系統管理方式存在的用電浪費比較嚴重的現象，利用熱釋電紅外裝置和無線傳輸技術構建了從教室分區到整個教學樓的層次化智能照明控制管理系統。系統能夠實現無人自動關燈，并能將每個教室的實時照明情況傳輸到教學樓總控制室，實現了遠程監控、統一管理，有效降低了高校教學樓照明運行能耗。

關鍵詞： 教學樓照明； 智能控制； 節能； 照明控制系統

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0097?03

Design of intelligent lighting control system of teaching building

WANG Liang1， ZHU Ruihua2

（1. School of Software and Service Outsourcing， Qingdao Technical College， Qingdao 266555， China；

2. Management Committee， Jiaonan Economic Development Zone， Qingdao 266555， China）

Abstract： Aiming at the serious waste problem existing in illuminating system management of teaching building in college， the intelligent lighting hierarchical control system based on the pyroelectricity infrared devices and wireless transmission technology was constructed from the classrooms to the whole teaching building. The system has the automatic turn?off function， and can transmit the real?time lighting status of each classroom to the master control roomof the teaching building. It has implemented the remote monitoring and unified management， reduced the energy consumption of lighting system of college teaching building effectively.

Keywords： teaching building lighting； intelligent control； energy saving； lighting control system

隨著教育事業的快速發展，高校已成為重要的用電大戶[1]。高校作為年輕人集中學習的場所，照明用電的消耗在學校用電量中占很大地比例。目前各高校的教室照明還停留在人工控制狀態，但由于教室數量多，每個教室的使用功能也各有不同，使得管理員無法對每個教室做到實時控制，經常出現教室亮燈卻無人，光線充足也亮燈的現象，造成不必要的電力資源浪費[2]。因此，設計一種成本低，易于改造施工的教學樓智能照明控制管理系統，無疑是減少能源浪費，提高教學樓用電效率的重要措施。

1 系統結構設計

系統包括分區感應控制單元、教室分控傳輸分機以及教學樓總控顯示主機三個層次，三者呈逐步遞進，構成整個教學樓的照明節能控制管理系統，系統結構框圖如圖1所示。在整個管理系統中每個教室有5個分區感應控制單元分別對教室進行分區域感應控制，每個分區感應控制單元將控制狀態信息通過2.4 GHz的無線通信傳輸到教室分控傳輸分機，各個教室的分控傳輸分機通過兩根總線的連接方式連接到教學樓總控顯示主機，教學樓總控顯示主機與各分控傳輸分機通過兩根傳輸線采用脈沖發碼的方式進行通信，同時提供給分控傳輸分機供電。

圖1 系統結構框圖

2 子系統結構設計

2.1 分區感應控制單元

教室內節電控制采用分區控制的形式進行改造，如圖2所示，學生的位置平均劃分為四個區域，講臺單獨一個區域，每個區域屋頂上方放置一個分區感應模塊。分區感應控制單元串聯至原來燈具的回路，并采用市電轉換而來的直流電源進行供電，減少了照明系統改造布線的麻煩。由于分區感應模塊是串聯至原照明回路的，原照明回路的開關并不移除，這樣使得需要照明時可以由人手動打開開關，感應模塊感應到人的存在則點亮響應區域的燈具；需要斷電時則可以手動進行關閉，而當人離開忘記手動關燈時，系統則利用紅外裝置周期掃描人體信號，能夠實現無人自動關燈自動斷電，達到進一步節能的目的。

圖2 教室內分區控制圖

分區感應單元結構如圖3所示，采用熱釋電紅外感應器及光敏電阻分別對周圍環境的紅外源人員出入與光照變化進行感應，采集信號并進行數字化處理后送給單片機進行處理，單片機根據分析紅外傳感器和光傳感器采集的信號做出照明電路的開啟、關閉的判斷從而控制照明電路的合理利用，達到節約能源的目的。

圖3 分區感應單元結構圖

熱釋電紅外感應器感應到區域人體信號存在后，通過單片機處理控制繼電器開啟燈具并延時，由于熱釋電紅外感應器只能感應出有相對移動的人體，所以在延時時間的確定非常關鍵，延時過短容易造成燈具的誤關閉，延時過長容易造成資源浪費。通過實驗測量，在區域內只有一人的情況下，延時在7 min能夠杜絕誤關閉，區域內兩人的情況下，延時在5 min能夠杜絕誤關閉。因此，系統將延時時間設定在4～5 min，能夠保證教室人員全部離開后燈具繼續點亮的時間不過長，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。

在單片機在選型上沒有采用傳統的8051單片機，因為放置在天花板的分區感應模塊需要體積較小，重量比較輕，經過比較選用了STC15L204EA。STC15F204EA單片機是一款超低價A/D轉換單片機單片機，1個時鐘/機器周期，高速、高可靠，8路10位高速A/D轉換，內部高精度R/C時鐘，功能夠用，體積和價格是89C51的[18]左右，指令代碼完全兼容8051單片機。

在達到控制燈具繼電器開啟斷電的同時，單片機通過2.4 GHz無線收發模塊將控制信號實時傳輸到教室分控傳輸分機上，以便于將分區控制狀態匯總至總控模塊。無限傳輸技術有WiFi， Bluetooth（藍牙）和ZigBee，但是綜合考慮了諸如工作距離，功能，功耗，延遲以及干擾和安全性等問題，基于NRF24L01的無限傳輸模塊在成本，接收靈敏度，傳輸速率，上電時間和功率消耗之間做到了很好的平衡。基于NRF24L01的2.4 GHz無線收發模塊，具有速率高、體積小、性能穩定、價格低的優點，工作頻率范圍為2 400～25 125 MHz，功率最大均能達到 20 dBm左右，傳輸距離在240 m以內都能收到正確數據包，能夠滿足教室內的信號傳輸的要求。

2.2 教室分控傳輸分機

教室分控傳輸分機結構簡單，系統結構見圖4，通過基于NRF24L01的2.4 GHz無線收發模塊完成本教室5個分區感應模塊工作狀態的收集，后通過單片機處理得到整個教室是否有燈具點亮的結果，最后將教室燈具的實時狀態通過數據線傳輸到教學樓總控顯示主機上。

圖4 教室分控傳輸分機結構圖

分機中的電壓及脈沖碼處理電路如圖5所示，能夠完成將主機傳輸的兩線高電平為20 V的供電電壓通過HT7136轉變為分機單片機所需3.6 V電壓，電路同時完成對主機發來的高低電平脈沖碼的預處理。

圖5 分機電壓及脈沖碼處理電路

2.3 教學樓總控顯示主機

教學樓總控顯示主機由單片機、分機狀態顯示陣列、時鐘電路、USB接口電路及電源電路5個部分組成，結構如圖6所示。

電源電路將電源適配器供給的24 V直流電轉換成為給單片機供電的4.5 V直流電壓并給分機提供高電平為20 V低電平為7 V的直流電壓。單片機接收由分機發來的各分機狀態信息碼，處理后點亮或熄滅相應的分機狀態顯示燈，管理人員可以通過分機狀態顯示燈陣列實時掌握整棟教學樓各個教室的燈具亮滅情況，出現特殊情況可予以及時處理。時鐘電路及USB接口電路為附屬功能電路，時鐘電路包括時鐘芯片SD2403API及時鐘數碼管FJS?8402A兩部分電路，單片機采集時鐘芯片的時間輸出到時鐘數碼管顯示當前系統時間，而通過USB接口電路可以將分機狀態傳輸到計算機，通過計算機服務界面實時顯示各分機狀態。教學樓總控顯示主機還具有巡檢的功能，可以對分機發出巡檢指令，逐一巡回檢查各教室分機工作狀態并返回狀態值。

圖6 教學樓總控顯示主機結構框圖

教學樓主機與教室分機之間采用所有分機并聯至主機的兩線連接方式，兩線供電同時完成主機與各分機間通信的功能。由于采用分機并聯方式，為了區別不同的分機，每個分機有惟一的識別碼。主機與分機的通信方式采用了高低電平脈沖發碼的方式進行，如圖7所示，高電平為20 V，低電平為7 V。當不需要通信時，兩線電壓保持20 V不變，僅作為供電線；當需要通信時，會首先發送一個起始脈沖，起始脈沖的低電平寬度的不同代表不同的工作請求。起始脈沖過后就是要傳輸的碼，圖7中占空比為[14]的周期代表“0”碼，占空比為[34]的周期代表“1”碼，通過占空比的不同就可以得到需要發送和接收的信息。這種兩線脈沖通信方式大大減少了整體的布線量。

圖7 主機與分機通訊脈沖示意圖

3 結 語

本文給出了教學樓照明節能整體控制管理系統方案，采用樓宇主機、教室分機及教室內分區控制三層管控方式，達到了充分的節能管理。詳細闡述了整個節電控制系統的構成、各部分控制電路的具體結構及器件選型，對主機與分機間的有限脈沖通信方式和分機與感應控制單元間的無線通信模式進行了重點闡述，對感應控制單元的工作原理及延時具體數據進行了分析。

系統能夠工作在手動開啟、自動關閉模式，根據人員及光照度自動斷電，層間基于2.4 GHz的無線通信及兩線脈沖通信模式減少了布線鋪設，使工程的施工更加容易，達到國家所提倡的節能減排。同時，在器件選型上采用性價比高的工程用芯片，系統實現了方便使用和節能管理的有機協調，較好地解決了節能照明產品“節電但不省錢”的問題，在實際使用中有效降低了學校教學樓照明運行費用，滿足了“方便、實用、節能、經濟”的要求。安裝方便運行成本低，實現對校園照明進行科學高效的控制，系統的設計方案為其他智能照明控制系統提供了參考與借鑒。

參考文獻

[1] 肖春華，張洪濤.基于GPRS與SMS技術教室LED節能系統[J].國外電子測量技術，2014，33（5）：75?79.

[2] 劉智旸，陳華麗.教室照明節能控制系統的智能化和可視化設計[J].智能計算機與應用，2014，4（2）：102?105.

[3] 魏立明，徐成波，林君.智能照明控制系統設計[J].吉林建筑工程學院學報，2014，31（2）：74?76.

[4] 張壹，張栩嘉，田焱，等.智能照明控制系統的設計[J].電子設計工程，2012，20（4）：131?133.

[5] 吳永橋，金康進，施廣林.基于單片機的節電照明控制系統[J].世界電子元器件，2004，22（4）：47?49.

[6] 張毅剛，彭喜元，董集成.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2007.

[7] 萬柏坤，馮莉，明東.基于熱釋電紅外信息的人體運動特征提取與識別[J].納米技術與精密工程，2012，10（3）：250?251.

[8] 段小匯，馮俊青.基于直接數字控制器的教室智能照明控制系統設計[J].電子世界，2012（23）：106?107.

[9] 王俊杰，王家楨.檢測技術與儀表[M].3版.武漢：武漢理工大學出版社，2009.