基于ZigBee的教室智能照明系統(tǒng)

何 林，趙瑞瑞，張 慧，張 菡，劉品杰，張 昊，魏建平

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，濟(jì)南250100）

近幾年，高校招生人數(shù)不斷增長，照明耗能所占比重越來越大，據(jù)調(diào)查，照明能耗約占學(xué)校總能耗的24%。多數(shù)高校照明以人工管理為主［1］，由于節(jié)能意識、責(zé)任意識淡薄，教室長明燈、人走不關(guān)燈、光照充足仍亮燈等現(xiàn)象普遍存在，高校教室照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重。另外，傳統(tǒng)教學(xué)樓照明系統(tǒng)的節(jié)能改造存在安裝復(fù)雜、布線多、成本高等諸多困難。

基于此，對山東建筑大學(xué)博文樓進(jìn)行調(diào)研，將無線通信技術(shù)和智能控制技術(shù)引入照明節(jié)能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于ZigBee無線傳輸控制技術(shù)的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)，即LED燈＋智能照明控制系統(tǒng)。采用LED燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熒光燈，照明系統(tǒng)為三級管控系統(tǒng)，一級為控制中心、二級為教室控制器、三級為燈光控制器，安裝光照強(qiáng)度傳感器、紅外人數(shù)檢測器兩個(gè)感應(yīng)元件，與教務(wù)系統(tǒng)融合以獲取教室使用狀況信息。各控制部分之間采用ZigBee技術(shù)無線通信。控制系統(tǒng)以光照度為主要控制條件，以人數(shù)、教室使用情況、時(shí)間為輔助控制條件，防止“長明燈”“人走不熄燈”等現(xiàn)象，充分利用自然光，達(dá)到有效節(jié)能。

所設(shè)計(jì)的智能節(jié)能照明系統(tǒng)，不僅能減少能源浪費(fèi)，還能滿足不同場景下照明舒適度的需求，提高辦公效率。

1 可行性分析

以山東建筑大學(xué)博文樓為調(diào)查模型，對方案A（普通熒光燈＋傳統(tǒng)照明）、方案B（LED燈＋傳統(tǒng)照明）、方案C（LED燈＋基于ZigBee的智能照明）進(jìn)行比較分析。

博文樓現(xiàn)有教室69間，共計(jì)3 592根熒光燈管，每根燈管功率40 W。傳統(tǒng)照明每燈每天平均照明13 h，而LED是一種光效高、耗能少、壽命長達(dá)10萬h的新型照明技術(shù)［2］，14 W的LED燈與40 W的熒光燈亮度接近，若用C方案，平均每日每燈可少開5 h左右。

對前十年的成本、電費(fèi)、總額進(jìn)行計(jì)算：方案A 40W熒光燈＋鎮(zhèn)流器約20元；方案B 14 W LED約18元；方案C 14 W LED＋ZigBee模塊約58元。設(shè)備平均壽命為8年，在第9年需對A、B、C更換設(shè)備。各方案具體費(fèi)用比較見表1。

表1 各方案具體費(fèi)用比較

通過計(jì)算，方案A每學(xué)年能耗為517萬kW·h，方案B為18萬kW·h，方案C為11萬kW·h，方案C能耗僅為A的21.5%。據(jù)表1和圖1，以10年為期，第1年，方案B和C較方案A盈利，方案C的初期投資較高，但隨技術(shù)的發(fā)展，C的成本逐漸降低。經(jīng)計(jì)算，第5年C開始比B盈利，第9年更換設(shè)備后，C仍比B盈利，并且C遠(yuǎn)遠(yuǎn)比A節(jié)能，與B類似，但較B提供了更個(gè)性化的照明方案和智能化的控制手段，在人力和管理費(fèi)用方面，節(jié)省很多。綜上，C為最佳方案。

圖1 各方案前十年每年費(fèi)用總額

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用控制中心集中管理、網(wǎng)關(guān)與燈光控制器分散控制、光照度傳感器與脈沖計(jì)數(shù)器采集的方式，實(shí)現(xiàn)“管理、控制、運(yùn)營”一體化，根據(jù)光照度、時(shí)間、人數(shù)、教室狀態(tài)4個(gè)控制條件，用ZigBee傳遞信息給一級、二級、三級設(shè)備（見圖2）。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動報(bào)警［3］、控制、診斷。系統(tǒng)樓層交換機(jī)與控制中心用原有校園網(wǎng)絡(luò)連接，形成樹狀拓?fù)洌?］。

圖2 教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

1）光照度條件。白天，若某燈具光照度＞300 lx［5］，則燈“關(guān)”，否則，依教室人數(shù)確定啟閉。采用最大值標(biāo)記法控制燈具，如圖3所示。講臺上的燈可受指令或光照條件控制，無課時(shí)關(guān)閉。

圖3 教室燈具狀態(tài)圖

2）人數(shù)條件。根據(jù)教室人數(shù)與自然光照條件，確定燈具的啟閉。根據(jù)教學(xué)樓總?cè)藬?shù)與上課人數(shù)確定自習(xí)教室開放情況，減少多余自習(xí)教室的開放，節(jié)省能源。

3）時(shí)間節(jié)點(diǎn)條件。時(shí)間節(jié)點(diǎn)分為白天（7：00—18：40）、晚上（18：40—22：00）和休眠（22：00—7：00）。白天為上課模式，晚上為自習(xí)模式，晚上22：00后，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4）教室使用狀態(tài)條件。將教室分為有課教室和自習(xí)教室。有課教室不僅接受一級網(wǎng)關(guān)控制器的控制，還可由教師自主控制，分為投影儀授課模式、板書授課模式、觀影模式、練習(xí)模式等。

照明智能系統(tǒng)的控制特點(diǎn)：

個(gè)性化場景控制。國際照明委員會（CIE）在《室內(nèi)工作場所照明》中指出，光環(huán)境應(yīng)關(guān)注照度、亮度分布、眩光等指標(biāo)［6］。為提升教室內(nèi)各種場景的照明舒適度，教室控制器預(yù)置4種模式（見圖4），還可根據(jù)習(xí)慣和需求自定義。

圖4 控制面板場景控制模式圖

分層分區(qū)域。將教學(xué)樓按樓層分層，教室按有課無課分區(qū)，教室內(nèi)據(jù)自然光條件分區(qū)，優(yōu)先開放低層、自然光照好的教室和區(qū)域。

移動端。如圖5所示，可用手機(jī)實(shí)時(shí)了解自習(xí)教室人數(shù)信息等，提高工作效率。

圖5 移動端設(shè)計(jì)圖

單燈單控。賦予每盞燈唯一的身份標(biāo)識［7］，按需智能控制，較傳統(tǒng)的整排控制方式更靈活。

無線組網(wǎng)。采用ZigBee燈控器，無需布線，只需簡單替換鎮(zhèn)流器即可，解決了傳統(tǒng)有線方式布線繁瑣、擴(kuò)展性差、功能單一等問題［8］。

采用ZigBee無線傳輸。與NB－IOT、藍(lán)牙、WiFi等無線技術(shù)相比，ZigBee具有協(xié)議免費(fèi)、功耗低、自組網(wǎng)、動態(tài)路由、自愈能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸安全性高等優(yōu)點(diǎn)［9］。互聯(lián)照明聯(lián)盟向照明業(yè)界推薦ZigBee Light Link標(biāo)準(zhǔn)，能輕松實(shí)現(xiàn)不同公司產(chǎn)品之間的互聯(lián)互通［10］。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

1）燈控器原理。通過光照采集電路獲取光照度信息，繼電器控制燈具啟閉，附設(shè)按鍵電路、LED電路、蜂鳴電路進(jìn)行人機(jī)交互，如圖6所示。

圖6 燈管單片機(jī)控制模塊

2）紅外人數(shù)檢測原理如圖7所示，利用被檢測物對光束的遮擋或反射檢測有無物體［11］。

圖7 紅外人數(shù)檢測原理圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

人數(shù)檢測程序、教室網(wǎng)關(guān)程序、強(qiáng)制模式程序流程如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 雙線紅外檢測流程圖

圖9 網(wǎng)關(guān)控制流程圖

圖10 強(qiáng)制模式程序流程圖

3 結(jié)論

以山東建筑大學(xué)博文樓為模型，對A、B、C 3種方案的分析得出，方案C在經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和易用性方面具有顯著優(yōu)勢。教室照明智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于Zig-Bee通信技術(shù)，采用三級管控體系、四重控制策略，以LED燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)熒光燈，對教室分區(qū)域、多模式控制，實(shí)現(xiàn)了照明節(jié)能的最大化。系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)不同場景照明，并可與移動端關(guān)聯(lián)，提高師生的辦公學(xué)習(xí)效率。