教室配光與智能控制設計

杜漢民，何文杰，王 憶

（1.江門市漢的電氣科技有限公司，廣東 江門 529000；2.五邑大學應用物理與材料學院，廣東 江門 529080）

1 引言

在當代，人們對學生的學習成績和視力問題越來越關注，而學校的教室通常是作為學生長時間學習和活動的主要場所，因此，教室照明狀況和照明質量對于學生來說是非常重要的，尤其是在保護學生視力和健康方面。而教室照明中有關于LED 燈具使用的研宄則相對較少，更多的是對教室光環境、教室照明光效應和教室照明設計原則的研究[1-3]。因此，本文通過在照明設計軟件DIALux 模擬中根據不同類型的光源（原有大多教室都采用熒光燈照明，在此我們選用高性能LED 燈具），通過教室尺寸實測與燈具排列方式對教室環境進行較精確地模擬，力圖通過改變光源功率、燈具配光曲線和燈具排列得到對應的照明設計方案，比對現有多個國家標準[4]，讓教室照明達到國家標準；另一方面，教室作為學生和教師長時間學習和教學的場合，其照明設施也是經常保持常亮[3，5]。但是，不可避免的是在教室沒人的時候，由于學生、教師和工作人員的疏忽，忘關開關的情況也屢見不鮮，甚至有的教室照明設施會整夜常亮，這也就浪費了很多不必要的能源。在國家倡導綠色能源、節約能源的國策下，為避免這種情況的發生，在電子技術如此發達的今天，我們可以通過設計一款一種智能控制設計控制教室照明燈具，讓其實現有人則亮，而無人則滅的目標，以節約不必要浪費的能源。這樣一方面響應了國家號召；另一方面，延長了熒光燈的使用壽命和減小了電能損耗，可減小學校能源方面的開支，兩全其美。

2 國家標準與教室照度實測比較

2.1 教室環境照明評價的主要參數

2.1.1 照度

照度指的是入射到空間內物體上的單位面積上的光通量lm（流明），單位為勒克斯（1 lx=lm/m2）。根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》規定，教室的基本照度要求為300 lx 以上。在測量單位面積內，由光源所發出的光通量Φ產生的照度E（lx）=（lm）/A（m2）。

2.1.2 照度均勻度

在一個光照空間中，光線的分配均勻與否也是很重要的。如果空間中光線分配均勻度不夠，會造成指定空間的明暗度有明顯的不同，很容易導致人眼視覺疲勞。通常我們將照度均勻度定義為，即空間內指定平面上最小照度與平均照度的比值，照度均勻度越接近1.0 越好。

2.1.3 照明功率密度

某指定建筑的房間或場所，單位面積的照明安裝功率（含鎮流器、變壓器的功耗），單位為W/m2。

國家教育建筑照明標準[2，4]如表1 所示。

表1 國家教育建筑照明標準

2.2 教室照度實測

選取某階梯教室（熒光燈），照明狀況實測結果處理后得到課桌面的平均照度值Eav、照度均勻度UQ、照明功率密度LPD值如表2 所示。

從表2 可以看出，現有絕大部分教室的照明是不滿足最近標準要求的。

2.3 燈具智能控制目的和要求

在目前，國內大、中、小學的室內照明大都采用人工控制完成的，不僅浪費人力、操作煩瑣，而且每天早晚教室燈開閉具有很大不確定性。隨著智能控制的快速發展，使得人們的生活有了更多的便利。因此，設計必要的智能控制系統以控制教室照明系統，達到省人力、避免頻繁操作、安全節能的目的。為了方便控制和節能，該智能控制系統要求達到以“人來燈亮，人走燈滅”的目的。利用紅外傳感器原理，感應人體活動，通過人體感應模塊將該信號轉變為電平信號，并通過單片機將其電平信號轉變來實現。

表2 某階梯教室實測數據表

3 教室配光與智能控制設計

3.1 教室照明建模與仿真

3.1.1 光學軟件DIALux

在德國，由DIAL 公司所開發的Dialux 光學設計軟件已為人們所熟知，這款軟件除了德國外，世界范圍內也越來越多的地區使用此設計軟件。

近年來，由于Dialux 設計軟件的方便實用性，該軟件已經進入中國市場，并出現了適用于中國使用的中文簡體版本。

Dialux 光學設計軟件的功能強大，在此先對DIAlux 光學設計軟件進行一些簡單介紹：①使用范圍。由于Dialux 光學設計軟件的通用性強，所以在室內、戶外或街道的照度仿真和燈具照明的計算中都可以被使用。②容易上手，適合初學者和專業人士使用。和我們平常使用的大多數設計軟件較為相似，由于該設計軟件的工作界面簡潔，使用便捷，具有非常便捷的工具欄和屬性欄及強大的鼠標拖拽功能。利用“DIALux 燈光精靈”向導來設計室內、室外，街道和體育場合的空間，并能夠引導初學者和設計員一步步地完成設計，而且Dialux 光學設計軟件許多的簡易功能使得計算變得更加容易。其中，燈具的排列、燈光的效果、燈具的選擇皆僅需輕松操作鼠標就可以完成[1]。在最新版本的該設計軟件中，我們可以將DXF 格式的燈具信息直接導入到DIAlux 光學設計軟件中，然后進行再照明計算。③開放且廣泛的燈具數據庫。在設計過程中，我們會用到燈具的資料信息和數據，這點已經在DIALux 光學設計軟件中實現。在DIALux 光學設計軟件的燈具庫目錄中收集了各燈具廠家的燈具產品資料、光學數據，并且將它們集成在一個叫做“外掛程序”（Plugin）的數據庫里面，包含我們所熟悉的Philips、BEGA、THORN、ERCO、OSRAM 等國際大公司，方便我們查找和使用[2]。在利用該仿真軟件進行仿真設計的過程中，利用光學設計軟件DIALux 中的插件不僅能對燈具樣本進行可觀的整理和分類，并且能夠整理設計案中的色溫、光源、配光曲線到樣本的圖片等，這樣使用者可以方便查到信息。④仿真照明輸出功能。對于設計人員來說，設計方案中的照光度、光亮度、光均勻度是能否達到國家的規定一直是我們所關注的焦點，所以在進行方案策劃時，可以按照設計案內的要求再對比《建筑照明設計標準》輸入平均亮度、維護系數總均勻度、眩光限制閾值增量、縱向均勻度環境比等數據。

3.1.2 DIALux 建模與仿真

3.1.2.1 空間尺寸及建模

某北主樓1104 教室的實際尺寸為：長16.66 m、寬13.04 m、高4.34 m。由于北主樓教室照明不達標，所以我們重新設計了燈具的等距分布方案，圖1 為我們設計方案中實際燈具排列區域及間距尺寸示意圖，即為教室的平面分布示意圖。

圖1 教室燈具分布圖

圖2 為北主樓1104 教室的3D 分布圖，都是由照度仿真軟件DIALux 繪制得出，其模擬了五邑大學北主樓1104 教室的真是空間分布，尺寸與真實教室空間尺寸完全相同，其燈具懸掛高度為3.66 m（該數值為燈具距離地面高度），工作面高度取0.85 m，此數值與課桌高度相同。

圖2 模擬教室場景

3.1.2.2 計算與工作面高度及對應區域

工作面高取桌子高度為0.85 m，工作面對應區域面取桌子所在區域即在X方向（平行于黑板的方向），Y方向（垂直黑板方向，即平行于側面墻壁方向）為工作面高度及對應區域。

通過光學設計軟件進行仿真時，其工作面高度和區域的選取對應于真實教室工作面高度和區域相同，因為只有這樣，才能使得使仿真工作面與教室真實工作面達到一致，從而使最后得到數據和真實數據具有可比性。

教室照明的仿真和測量：通過照明仿真軟件DIALux，通過對北主樓1104 教室的實測，再將收集的數據導入照明仿真軟件DIALux，對該真實環境進行仿真與照明計算，得出的等照度圖如圖3 所示。

由DIALux 仿真軟件仿真得到報表數據如表3 所示。

3.2 燈具智能控制計

選用紅外傳感器，再用它集成傳感器模塊，用來探測人體的活動，并將人類活動的信號通過HC-SR501 人體紅外感應模塊將這種“動”信號轉化為電路可識別的高低電平信號，將這種高低電平信號輸入單片機I/O 口，通過簡單的程序控制，再將該信號通過單片機輸出口輸出，使得該高低電平信號來控制燈的亮與滅，真正實現“教室有人活動則燈亮，無人則燈滅的”智能控制目標，以減少人力物力的使用和節約能源。

圖3 Dialux 仿真設計教室光照及燈具分布圖。

表3 由DIALux 仿真軟件仿真得到報表數據

3.2.1 HC-SR501 人體紅外感應模塊構成及原理

紅外傳感器工作的原理為：人的身體溫度一般來說是動態改變的，但總體來說該身體溫度值通常穩定在37 ℃上下，在這樣背景下，人類的身體就會發出特定波長紅外線，一般在10 μm 左右，傳感器的被動式紅外探頭就是通過探測這種人體發射的微弱紅外信號而運行[3]。當人體在范圍內移動時傳感器就會收集到的這種微弱的紅外線經過菲泥爾濾光片加強后匯聚到紅外感應源上。傳感器的該感應源一般利用熱釋電元件（該原件利用熱釋電效應而工作）制成，當接收到人體的紅外輻射后，該紅外傳感器的熱釋電原件失去電荷而失去平衡，向外部放出電荷，模塊的后續電路通過傳播和檢測，會產生一種報警信號，這樣就收集到了人體活動的信號。控制器件實物如圖4 所示。

圖4 控制器件實物圖

產品特點：該人體紅外感應模塊是基于紅外感應的自動控制模塊，該模塊具有靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作模式優勢，所以被應用于各種具有自動感應功能的電器設備中，相比較常見的是以生活中常見電池作為電源供電的智能設備。感應模塊的主要參數如表4 所示。

表4 感應模塊的主要參數

3.2.2 STC89C51RC 單片機及控制程序

采用單片機芯片型號為STC89C51RC，STC89C5 單片機學習開發板是很常見的一款單片機，具有8 位單處理芯片的能力。作為適用于廣大人群的單片機開發系統，因其所具有的運行速度快、功耗低、抗干擾能力強的優勢而被人們注重。可以通過C 語言、匯編語言進行控制，內部的12 時鐘/機器周期和6 時鐘/機器周期可以任意選擇，且該開發板內部集成獨特的專用復位電路。

設計目標：由于傳感器的優越的性能和簡單的原理，使得傳感器廣泛應用于各個領域。通常傳感器按照不同的輸出信號將其分為非電量式傳感器（比如色溫傳感器等）和電量式傳感器（又分為開關式傳感器、模擬量式和數字量式和開關式傳感器）。在這里，我們選用紅外傳感器，再用它集成傳感器模塊，用來探測人體的活動，并將人類活動的信號通過該HC-SR501 人體紅外感應模塊，讓這種“動”的信號轉化為電路可識別的高低電平信號，再將這種高低電平信號輸入單片機I/O 口，通過簡單的程序控制，最后將控制信號通過單片機輸出口輸出，使得該模塊實現通過高低電平信號來控制燈的亮與滅，真正實現“教室有人活動則燈亮，無人則燈滅的”智能控制目標，以減少人力物力的使用和節約能源。

具體步驟：①一直流電源模塊作為供電電源，電源正極連接人途紅外感應模塊引腳1（電源正極接口），電源負極連接人體感應模塊引腳2（電源負極接口），引腳3 作為信號輸出端口以連接后續的信號處理模塊。需要注意的是，當人體紅外感應模塊接通電源后，該模塊不會立即進入工作狀態，而是會有1 min 左右的時間恢復初始狀態，而且在此恢復初始狀態時間段內人體紅外傳感模塊會有間隔地輸出幾次，進入正常的待機狀態需要1 min 左右的時間。②按照設計要求，編寫我們所需的程序代碼。在此處，我們選用C51單片機的P0 口作為信號輸入端，而P1 口作為信號輸出端，程序控制原理為，當I/O 口接收到高電平時，輸出端口輸出高電平，則此時燈亮。當I/O 口接收到低電平時，P0 口不輸出信號，也就是低電平，此時燈滅。③程序編寫好經過連接編譯成功后，將我們所編寫的程序燒錄到STC89C51 芯片中。④人體感應模塊的輸出端口3 連接STC89C51 的信號輸入I/O 端口的PO 口，作為單片機信號輸入端，將人體感應模塊的輸出信號電信號輸入到單片機中。⑤將STC89C51 單片機的輸出口P1 與LED 燈相連接，其輸出高低電平可用來控制照明燈具燈的亮與滅。

4 結論

本設計在不改變教室的空間壞境下，主要通過改變燈具的排列方式和增添燈具的方法，通過DIALux 仿真軟件將室內環境進行3D 建模，然后再將選好的燈具、設計的燈具排列方式導入到設計空間內。通過DIALux 強大的報表功能計算得出報表。與國家規定的教室照明標準相比較，該設計方案符合國家和行業標準，可以應用到真實的階梯教室環境中[4]。在智能控制模塊設計中，我們要求實現這種“人走燈滅，有人則燈亮”的省能源、省人力的目的。該設計首先通過紅外感應模塊將人體的活動信號轉變為電路所能識別的高低電平信號，然后通過簡單控制程序來控制單片機，讓單片機將這種高低電平轉化為可以控制燈“亮”與“滅”的信號，達到了智能控制和節能的效果。