智能化照明在高校教室的應用

趙振宇

（北京農學院，北京 102206）

0 引言

闡述北京農學院教學樓智能照明改造前的傳統照明方式及存在的問題，描述高校照明智能化改造的意義。針對改造，提出解決計數誤差的途徑和關于用電量可控制及其他的改善建議。

1 照明背景及照明智能化的意義

1.1 教學樓與圖書館照明的背景

當前在建設生態文明、美麗中國大環境下，作為大學也必須執行國家戰略，國內各所大學校基本都是耗能大戶，因此節約型校園建設是學校基礎運營主要工作目標之一也是難點之一。隨著大數據、物聯網、人工智能等技術的發展，各大學也正在如火如荼進行智慧校園建設。新時代大學在技術節能方面應以能源供給側改革和提高能源利用效率為主線，結合物聯網、大數據、人工智能技術應用，逐步實現能源供給的信息化、智能化、便利化。高校能源供給側改革有兩個內涵：①引進可再生能源的供給，提高學校可再生能源的使用比例；②通過技術改造，在保障不影響舒適的情況下，實現精準的能源供給，減少無效能源的供給，避免浪費，做到按需供能，智慧供能。

北京農學院教學樓智能化照明改造就是能源供給側改革的一次嘗試。通過技術改造，在保障照度的情況下，實現按需提供照明，減少無效照明供給，達到節約電能目的。

北京農學院的教學樓B 座建筑面積1.1 萬平米，地上五層，有165 座至245 座階梯教室共12 間，其他大小教室共36間。教室在白天室內照度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業；即使室內無人或人數很少的情況下，也是全部開啟室內照明。夜間許多教室，即使僅有幾個學生在教室自習，室內照明全部開啟，不會有師生因為只有少數人而僅開幾盞燈。長明燈比比皆是，人走不熄燈的現象到處存在，可以說無效照明供給大量存在。

改造前教學樓照明采用的是每個教室使用的是固定式的開關面板各控制每一條線路的燈；這種傳統照明控制方式存在共同的缺點。①不夠“人性化”；②存在電能浪費的現象；③耗費人力，管理成本高。

1.2 校園智能化照明的意義

高校校園里的照明燈具數量眾多，無效照明供給量大，人工管理難度也非常大。燈具、光源（LED）的改造并不能減少無效照明供給。隨著智能照明系統的發展，其在節能與管理方面優勢突出，高校把這兩種改造（燈具和智能化）相結合才可以把照明節能和管理工作做到最佳。通過智能照明控制系統，可以實現整個校園公共區域及不同功能建筑物的照明和能源管理，通過不同的場景模式、定時模式、感應模式、集中控制模式等，可以對校園內的所有照明系統進行管理，達到預期節能減排及有效人性化控制管理的目標，使校園更加“智慧”。

2 采用智能化照明系統的思路

智能照明市場，存在無線式智能照明系統與總線式智能照明系統兩種主要形式，他們各有優劣。

2.1 無線智能照明系統介紹

無線型智能照明控制系統根據采用的無線協議而分為WIFI、Zigbee、ENOCEN 和無線射頻燈等。無線智能照明系統，不需要設備連接總線運行，實現了眾多智能照明控制器與智能照明監控管理中心的無線組網，再通過與設備現場每一臺智能照明控制器在線網絡通信聯系。具有設計簡單，安裝、維護方便等優點，無線組網省去了布網絡線等各種器材和人工費用。缺點是無線智能照明系統運行中，其十分依賴無線協議信號，在大型建筑中，由于建筑墻面多，容易造成信號干擾，導致運行照明系統時不穩定。

2.2 總線式智能照明系統介紹

總線式智能照明控制系統將各設備使用現場總線連接起來形成照明系統的形式對照明回路進行智能化的控制。總線式智能照明控制系統，具有多種控制策略，冗余度高，抗干擾性能力強和工作穩定，維修簡便化的優點。缺點是施工布線工程量大，影響美觀。

3 FLCS 智能化照明的系統原理及特點

北京農學院出于穩定的角度最終選擇總線式智能照明系統，通過招標，最終選擇FLCS（Flexible Lighting Control System，柔性智能燈光系統）

3.1 FLCS 智能化照明的系統原理

FLCS 智能照明系統是在RS485 基礎上自主研發的總線式智能照明系統，可以單獨自組解決方案的同時，也可以與市場上不同通訊協議（包含DALI，KNX，MODBUS-TCP）的系統搭配，實現靈活多樣的行業智能化照明控制解決方案。

FLCS 智能照明系統包括開關驅動器、調光驅動器、場景面板、光照度傳感器、人體感應器等各種硬件設備，還有可實現整個控制系統可圖形化編程組態的軟件界面，及通過云服務可以遠程下載和調試的服務。

FLCS 智能化照明是一套利用程序控制系統，通過通訊傳輸技術，信息智能化處理及電器控制等技術組成的分布式控制系統，實現對燈光具有高度的強弱調節、場景設置、定時設置的功能。從照明的舒適度和控制的精細度兩方面提高建筑物的照明質量。

3.2 FLCS 智能化照明的特點

FLCS 智能化照明具有安全可靠、性能優良、系統成熟、維保簡捷等特點。

4 智能化照明系統形成機理

4.1 教學樓智能化照明系統

教學樓五層分別各用一個網關經總線將各個教室的智能照明設備連接起來，再由監控室的電腦通過后臺FLCS 智能照明控制軟件進行監控。如圖1 所示。

技術人員由中央電腦處編寫相應開關燈需求的程序，通過TCP/IP 協議將數據傳儲到智能網關，當每次滿足控制條件時，例如按下第一鍵智能面板時，智能網關會將該按鍵已編寫程序內容數據發送到開關模塊處，然后實現程序效果。

4.2 教學樓的智能照明控制方式

對于教室控制燈的方式，FLCS 用了多個模塊的功能來制定嚴格的判斷開關燈創新綜合性方案。

（1）按人數控制。教學樓有階梯教室也有小教室，階梯教室滿座可容納200 人，而小教室則是40 到100 人，FLCS 智能照明系統采用根據課室人數決定燈光需求的方案。具體是每間教室都使用人體計數器，運用邏輯判斷，如果滿足一個學生從教室門口進入的條件則計數器加1，反之滿足出門的條件則計數器減1，當教室內人數達到一定數量的時候，FLCS 智能照明系統會判定該教室的需光亮度，然后打開相應數量的燈具。要實現這個計數功能只有計數器是完不成的，還需要在教室門口安裝紅外對射，與計數器聯動方可實現功能。北京農學院教學樓設定的控制條件是：當紅外對射感應到有1 個人從門口進入教室時，計數器加1，當前教室會打開1 排燈，且在計數器計數為（1～9）人情況下教室燈保持開一排燈的狀態，當計數器為（10～29）時為開2 排燈，為（30～49）的時候開3 排燈，50 及以上教室燈全開。如果說人體計數器是一個智能、合理化使用燈光的設備，那么，紅外傳感器與照度傳感器就是在他原有的基礎上條件，更規范的控制燈具。紅外傳感規范了教室無人情況下燈具仍然打開的現象，智能照明系統利用紅外傳感本身的產品技術特點，觸發時為一個判定，靜置時為另一個判定，量身為教室訂制一個人在燈保持開、人走燈關的效果。當教室內有學生上課時（計數器上有人數數據時），教室內燈具會保持打開當前需光亮度的燈具，而當教室內學生都離開了（計數器歸零時），而部分燈還打開的情況下，紅外傳感器此時無人可觸發它，它就會根據我們編好的程序延時10 s 進行關閉燈具的動作。

圖1 北京農學院智能照明系統

（2）按朝向、采光控制。使用的照度傳感器則是充分利用自然光，在不同的環境下，通過判斷自然光照射到教室的亮度是否達到學習需光亮度的要求，若達到要求但靠窗燈具仍打開情況下會進行關閉燈具的動作。

（3）FLCS 系統的智能面板控制。技術人員可編程開關燈場景指令數據到網關上儲存，通過觸發面板上相應的按鍵，往網關發送一個動作指令請求，再把原先編好的上課模式、考試模式以及自習模式的指令發送到該教室的開關驅動器上，實現其場景效果。智能面板是作為教室開關燈的一個主控制來使用。

（4）時間控制。FLCS 智能照明系統根據學校的上下課時間、休息時間給各教室設置了定時的開關燈動作。

（5）后臺計算機的監控。由FLCS 智能照明中央監控軟件，連接到智能網關，再通過已經布局好的平面圖清楚地顯示出每間課室的燈具開關情況以及學生數量，實時刷新狀態，全方位管理的智能化系統使整個教學樓的照明煥然一新。

5 實施智能化照明后節能分析

自北京農學院教學樓使用FLCS 智能照明控制系統以來，取得了非常可觀的節能效果。

教學樓在改造智能照明之前，2 個月共61 天時間里總計消耗了65 785 kW·h。智能照明改造前后耗電量見表1。在智能照明改造之后，同期節省用電量效果立竿見影，總計消耗42 256 kW·h。北京農學院每一度電的價格為0.52 元/度。所以在去年未改造前同期產生電費65 785×0.52=34 208.2元，改造后同期產生電費42 256×0.52=21 973.12 元，同期智能照明改造投資回報率高達35%。

表1 北京農學院教學樓B 座智能照明改造前后耗電量

6 智能化照明的不足之處及解決問題的辦法思路

6.1 智能化照明的不足

（1）因人體計數器在使用時過于機械化，模塊對判定人流增減有硬性要求，這種情況下會使計數器產生一點人數統計上的誤差，從而導致影響控制燈具。

（2）紅外感應器有會出現無人誤觸發開燈現象，這種情況屬于感應器靈敏程度過高導致。計數設備的功能是基于功能需求做出，寫入的公式只判定加減，在判斷數據上會受一些特殊情況影響其統計功能。同時感應設備受環境影響，因觸發條件或許不是人為的，但設備依然滿足到了觸發條件，從而出現誤觸發現象。

6.2 解決問題的辦法思路

在分析人體計數器問題上，發現了其問題所在，主要是學生同時出入門但只計算一個人數，還有就是因聯動人體計數器的紅外對射安裝在腿部位置，在學生出入門時有概率在擺動雙腿過程中1 人計算成2 人的小部分情況；我們通過技術上不斷地測試，嘗試解決這種誤差，但都沒有取得非常好的減少誤差效果。因此，想出另一個思路，利用教室安裝的紅外感應器，將誤差后導致的教室無人，計數器仍有少量人數統計使教室不關燈的情況徹底解決。其思路是通過紅外感應器，感應到教室無人的情況下，系統將人體計數器的人數統計清零，從而實現教室燈全關的效果。

（1）人體計數器不可避免會產生誤差，目前新型的存在感應器，只要人呼吸或微小的活動就能感知人的存在，是解決教室人數和人數變化的最佳設備，他的產生可以準確的判斷教室的人數。

（2）用電量控制：FLCS 智能照明控制系統可根據使用方提出的合理化降低用電量的需求，通過一系列的數據分析，從燈具功率到1 間教室的耗電量做出相應的節能方案，方案實施后耗電量可在軟件上、實際電表數上體現出來。

（3）學校計劃將對教室的分體空調的控制融入到FLCS 智能照明系統中，策劃的方案理念符合節能、智能并且便于管理。

7 結語

通過智能照明改造，解決了農學院教學樓大量無效照明供給問題，節能效果明顯，同時也提升了相關的管理水平。智能照明控制系統利用總線系統代替傳統種類繁多的普通電纜,使照明、場景控制實現智能化,并依據外部環境的變化自動調節總線中設備的狀態,同時可以擴展到分體空調、中央空調等用能設備的控制，最終達到安全、節能、人性化的智慧化教學場所。同時未來的電氣安裝系統將吸取目前各類總線制智能安裝系統的優點，通過更多地向樓宇自控、安全防范等其他系統相互滲透、相互融合，并以其更好的靈活性、易用性、可靠性、安全性，成為標準化、人性化、分散化、網絡化的多功能網絡集成式全分布控制系統。

推廣大學校園智能化照明改造是有必要的、可行的。智能化照明屬于智能樓宇子系統，智能樓宇是智慧校園建設的范疇，隨著國內高校節約型校園建設和智慧校園的建設的深入進行，智能化照明因市場巨大、前景光明。