基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室智慧照明方案研究

黃香琳

(重慶大學(xué)a.建筑城規(guī)學(xué)院，b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提升，人們對資源能源的瘋狂式掠奪和利用給地球帶來了極大的壓力。在眾多的能源問題中，電能的短缺是束縛經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的能源問題之一。在我國，照明耗電占年發(fā)電量的10%，而對照明場所多的高校而言，照明耗電超過了學(xué)校年耗電量的40%。目前，全國大多數(shù)高校教室仍處于粗放式的管理模式，管理人員和學(xué)生的節(jié)能意識不高，電能浪費現(xiàn)象在我國大部分的高校教室很常見。高校教室具有學(xué)生流動率高，教室不固定，學(xué)生人數(shù)不確定的特點，隨時都有學(xué)生進出，長明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在，這些浪費無疑造成了電能的損失。

教室是學(xué)生上課學(xué)習(xí)的場所，學(xué)生大部分的學(xué)習(xí)時間都在教室里，因此教室照明不僅要從節(jié)能方面考慮，同時也要從滿足學(xué)生的視看需要方面出發(fā)，良好的教室照明不僅有益于學(xué)生的視力健康，更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)的積極性。無論是從節(jié)能角度還是從視覺功效出發(fā)，對高校教室智慧照明方案設(shè)計的研究是非常有意義的。劉謀黎等將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)照明，設(shè)計一種高校教室智能照明系統(tǒng)。陳九江、吳桐等人利用教室照明系統(tǒng)的智能控制裝置，實現(xiàn)對教室照明系統(tǒng)的智能控制。周浪、林哲等人引入一種分層次的多模態(tài)教室照明控制方法，實現(xiàn)對教室燈光的智慧化控制。本文從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出發(fā)，通過光照度傳感器和人體紅外傳感器，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室智慧照明系統(tǒng)，采用分區(qū)設(shè)計和多種智慧照明模式，實現(xiàn)高校教室照明智慧化控制，提高管理水平，滿足教學(xué)和節(jié)能需求，體現(xiàn)以人為本的照明控制思想。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧照明

1.1 智慧照明

繼電氣化、信息化之后，智慧化成為科技革命發(fā)展的必然，而智慧城市的發(fā)展順應(yīng)了城市化發(fā)展的趨勢。智慧城市是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用信息通訊、感測等技術(shù)，解決智能感測、通訊、計算、分析、判斷、調(diào)控等城市運行的各種關(guān)鍵技術(shù)，建成城市發(fā)展的智慧環(huán)境。智慧城市的發(fā)展要求照明也是智慧照明，而智慧照明就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智慧照明系統(tǒng)，實現(xiàn)對燈具照明的智慧化管理。智慧照明實現(xiàn)“智慧”的關(guān)鍵在于:通過多源感知、深度集成、智能決策，發(fā)揮各子系統(tǒng)的外部效應(yīng)，系統(tǒng)之間縱橫聯(lián)接成網(wǎng)，增強系統(tǒng)之間知識共享的密度，提高系統(tǒng)整體的“智慧度”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

教室的智慧照明要滿足學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)、教室管理等需求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以更加精細和動態(tài)的方式管理教室燈具照明，達到“智慧”狀態(tài)，以更好地節(jié)約能源，同時實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的視看需要。

物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)教室智慧照明的途徑，物聯(lián)網(wǎng)概念在1999年v提出，即IOT(Internet of Things 物物相連的互聯(lián)網(wǎng))。2005年v，國際電信聯(lián)盟(ITU)正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。其定義是:通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)上包括感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用三個方面。感知功能由傳感器和傳輸網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，它嵌入到物聯(lián)網(wǎng)的“物”中，承擔(dān)“物”的信息接受、發(fā)送、控制功能。網(wǎng)絡(luò)功能負責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)中“物”的信息在不同網(wǎng)絡(luò)中傳輸，連接應(yīng)用層和感知層。應(yīng)用功能即智慧分析與表達，通過應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，并對物聯(lián)網(wǎng)中的任意“物”進行反饋，下達指令，實施管理和控制。

2 教室智慧照明標準選用

高校教室照明應(yīng)該在照明標準的相關(guān)要求下進行智慧照明的建設(shè)。我國現(xiàn)行GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標準》對各類教室的照度、照度均勻度、眩光限制、色溫等都做出了相關(guān)規(guī)定。

表1 教育建筑照明標準值

由表1 可知，普通教室照度值需要滿足300 lx，照度均勻度不應(yīng)小于0.6 的照明質(zhì)量。

本文主要是通過照度值來判斷光環(huán)境是否符合設(shè)計要求，進而通過智慧照明系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)教室內(nèi)不同區(qū)域的燈光，使室內(nèi)的光環(huán)境達到一個恒定光照度，這里主要以300 lx 為一個恒定標準，從而保證其合理的照度均勻度。

3 教室智慧照明系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體組成

考慮到高校教室粗放式管理方式和電能浪費現(xiàn)象，教室智慧照明的系統(tǒng)組成主要從兩方面考慮:一是選用高效的節(jié)能燈具來實現(xiàn)教室照明的節(jié)能環(huán)保;二是根據(jù)教室內(nèi)人數(shù)的多少、人的位置分布、照明水平等來合理控制教室燈具照明，確保照明質(zhì)量的同時也避免了能源浪費現(xiàn)象的發(fā)生。

燈具選用方面，主要為LED 燈具。高校教室的燈具目前主要采用的是傳統(tǒng)的日光燈，教室智慧照明的目的是為了實現(xiàn)教室燈具的節(jié)能效果，因此應(yīng)選取在節(jié)能和環(huán)保方面都有很大優(yōu)勢的LED 燈。LED 燈具具有啟動快，功率小，可調(diào)光，無頻閃，不容易視力疲勞等優(yōu)點，半導(dǎo)體器件的特性使其在智能照明控制方面有著絕對的優(yōu)勢，可以完美實現(xiàn)對照明燈具的調(diào)光調(diào)色、靈活設(shè)置、分組管理等功能，可更人性化地滿足使用者的需求。

從教室燈具的管理控制方面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個方面進行設(shè)計(圖1)。

1)感知層:主要包括各種智能傳感器和智能控制器。教室智慧照明采用的智能傳感器主要有照度傳感器、人體紅外傳感器等。光照度傳感器用于感知教室光環(huán)境信息，結(jié)合不同的教室使用功能判斷是否需要開燈，以及調(diào)節(jié)LED 的光照度來達到教室所需照明標準;人體紅外傳感器主要用于感知人員信息和人體位置信息等，以此判斷是否需要開燈以及開啟哪些區(qū)域的燈。這些都為教室智慧照明提供了數(shù)據(jù)支持。

2)網(wǎng)絡(luò)層:實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制就必須要有通訊網(wǎng)絡(luò)，包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等。通過通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系感知層和應(yīng)用層兩部分。

3)應(yīng)用層:教室智慧照明系統(tǒng)的核心是上位機，系統(tǒng)上位機接收感測數(shù)據(jù)，通過已編好的程序進行分析判斷，然后發(fā)出照明控制命令并傳送給教室的智能控制器，以合理控制教室燈具的照明。

圖1 教室智慧照明基本架構(gòu)

3.2 分區(qū)設(shè)計

為更好地管理教室內(nèi)各個區(qū)域的燈具照明問題，應(yīng)根據(jù)教室特點對教室進行分區(qū)，以達到智慧管理。將教室劃分為多個區(qū)，通過在教室天花板中央安裝旋轉(zhuǎn)云臺，使傳感器掃描室內(nèi)，從而統(tǒng)計人數(shù)和位置。隨著云臺的旋轉(zhuǎn)，紅外探測器的探測范圍掃過整個教室，測出人數(shù)，避免了人體傳感器只對運動物體有反應(yīng)所帶來的誤差。

分區(qū)設(shè)計應(yīng)考慮教室特點、燈具布線以及室外自然光照環(huán)境帶來的影響。教室多采用側(cè)窗采光，教室內(nèi)各區(qū)域距離窗戶遠近不同，隨著距離的增大，教室內(nèi)光照度在不斷減小，從而室內(nèi)照度以及照度均勻度均不能滿足要求。另外，結(jié)合教學(xué)需要，教室黑板燈應(yīng)單獨為一個區(qū)域。

首先根據(jù)教室的朝向分析光照在教室內(nèi)所產(chǎn)生的明暗區(qū)域，劃分出亮區(qū)和暗區(qū)(如圖2)。然后結(jié)合教室特點及教室內(nèi)的布燈情況進行小區(qū)域的劃分，在此之前要先將黑板燈單獨劃為一個區(qū)域。根據(jù)圖2可以將分區(qū)初步設(shè)計為圖3 所示的方案。最后選擇在教室中央或各個分區(qū)內(nèi)安裝傳感器感測人員信息和光照信息。

圖2 教室采光情況

圖3 分區(qū)設(shè)計示意圖

教室智慧照明系統(tǒng)整個工作過程是:通過光照度傳感器感測室內(nèi)光環(huán)境，以300 lx 為基準，高于300 lx則不管教室是否用于教學(xué)都可以不開燈，而當?shù)陀?00 lx 時，根據(jù)人體紅外傳感器感測是否有人，人的數(shù)量以及人的分布范圍，結(jié)合不同的教室使用功能情況判斷是否需要開燈，開啟哪些區(qū)域的燈，以及調(diào)節(jié)不同區(qū)域的燈的亮度以適應(yīng)不同的教室功能需要。這里以300 lx 照度值作為判斷標準，低于300 lx 時用燈光照明補充，使室內(nèi)照度值達到300 lx 左右時保持恒定照明，以保證其室內(nèi)照明的均勻度和穩(wěn)定性。

3.3 智慧照明模式

根據(jù)高校教室的各種使用功能、人數(shù)的多少、光照度、時間日期等方面，可以將教室照明設(shè)計成多種智慧照明模式，實現(xiàn)對教室燈光的智能化控制，以滿足不同教室的功能需要。本文依據(jù)人體紅外傳感器所感知的教室人員分布情況以及教室當前的用途，將智慧照明模式分為上課、自習(xí)、閑置三種。

3.3.1 上課模式

教室大部分的時間都是用于教師上課，而上課有板書講課和多媒體講課兩種方式。根據(jù)前面介紹的系統(tǒng)工作過程，首先應(yīng)通過光照度傳感器感測光照度，若符合標準，則不論上課與否都可以不開啟教室燈具，若照度不符合標準則根據(jù)人體紅外傳感器感測人員信息，再作判斷。一般上課時人數(shù)會比較多，可預(yù)先設(shè)定標準值(假設(shè)小教室達到30 人，大教室達到50 人)，一旦達到標準值再根據(jù)上課模式預(yù)先設(shè)定的基本條件(教室教學(xué)使用的星期及時間段)判斷是否處于上課模式，如果都符合則進入上課模式。一般上課模式下教室的燈光全部開啟，以滿足學(xué)生視看需要，提高教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與性。課桌面照度應(yīng)達到300 lx，教室黑板應(yīng)盡量達到500 lx，燈光應(yīng)根據(jù)環(huán)境亮度進行調(diào)節(jié)以補充自然光亮度。因上課還有多媒體教學(xué)，智慧照明系統(tǒng)也應(yīng)該連通多媒體系統(tǒng)，一旦啟動多媒體，則教室內(nèi)黑板燈和前兩排的燈將自動關(guān)閉。

3.3.2 自習(xí)模式

教室處于非上課時間段時常常會有學(xué)生去自習(xí)，人數(shù)有很大的不確定性，同時人員的分布也比較分散。當光照條件不滿足時，根據(jù)人體紅外傳感器感測人數(shù)以及人員分布情況，結(jié)合自習(xí)模式的設(shè)定(教學(xué)規(guī)定時間段以外的教室使用)，確定開啟哪些區(qū)域的燈光，避免不必要的浪費，同時也應(yīng)滿足處于兩區(qū)域交界處的學(xué)生的視看需要。一般情況下應(yīng)開啟聚集人員較多的區(qū)域的燈光，這樣再進來的學(xué)生自然會到光照充足的區(qū)域去自習(xí)，從而可最大程度節(jié)約照明用電。

3.3.3 閑置模式

此模式下燈具處于全關(guān)閉狀態(tài)，一般在每天的中午或周末的時間段，當感測不到任何人員信息時教室將自動切換到閑置模式，即關(guān)閉所有的照明燈具。

4 小 結(jié)

目前電能的短缺已經(jīng)成為我國重要能源問題之一，照明的節(jié)能環(huán)保問題也日益成為人們關(guān)注的焦點。隨著經(jīng)濟社會的不斷進步，科技也在不斷發(fā)展，相繼經(jīng)歷了電氣化、信息化，而今智慧化的發(fā)展更適應(yīng)社會發(fā)展的趨勢。智慧照明脫胎于智慧城市，更應(yīng)該被應(yīng)用于多種照明場所，本文主要研究智慧照明在教室照明中的發(fā)展及應(yīng)用，從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出發(fā)，運用物聯(lián)網(wǎng)的感測技術(shù)，采用分區(qū)設(shè)計，結(jié)合多種智慧照明模式，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室智慧照明系統(tǒng)，實現(xiàn)高校教室照明智慧化控制，從而滿足教室照明的節(jié)能需求。當然，智慧照明在教學(xué)建筑的應(yīng)用還很有限，未來需要不斷發(fā)展新的更智慧的技術(shù)及策略來更好地實現(xiàn)智慧化、人性化的照明。

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