淺談智能化照明控制在高校教室的作用

【摘要】：介紹北京某學(xué)院教學(xué)樓照明系統形成機理，包括其如何進(jìn)行控制的過(guò)程和控制方式。列出智能照明改造前后同期的用電量對比，實(shí)證結果說(shuō)明北京某學(xué)院教學(xué)樓在照明智能化改造后節能量十分可觀(guān)。智能化照明是解決大學(xué)校園無(wú)效照明供給的途徑，節能效果明顯，值得推廣。

【關(guān)鍵字】：智能化照明；無(wú)效照明；節能；柔性智能燈光系統

引言

闡述北京某學(xué)院教學(xué)樓智能照明改造前的傳統照明方式及存在的問(wèn)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(guān)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(xué)樓與圖書(shū)館照明的背景

當前在建設生態(tài)文明、美麗中國大環(huán)境下，作為大學(xué)也要執行的能源供給，減少無(wú)效能源的供給，避免浪費，做到按需供能，智慧供能。

北京某學(xué)院教學(xué)樓智能化照明改造就是能源供給側改革的一次嘗試。通過(guò)技術(shù)改造，在保障照度的情況下，實(shí)現按需提供照明，減少無(wú)效照明供給，達到節約電能目的。

北京某學(xué)院的教學(xué)樓B座建筑面積1.1萬(wàn)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(kāi)燈作業(yè)；即使室內無(wú)人或人數很少的情況下，也是全部開(kāi)啟室內照明。夜間許多教室，即使僅有幾個(gè)學(xué)生在教室自習，室內照明全部開(kāi)啟，不會(huì )有師生因為只有少數人而僅開(kāi)幾盞燈。長(cháng)明燈比比皆是，人走不熄燈的現象到處存在，可以說(shuō)無(wú)效照明供給大量存在。

改造前教學(xué)樓照明采用的是每個(gè)教室使用的是固定式的開(kāi)關(guān)面板各控制每一條線(xiàn)路的燈；這種傳統照明控制方式存在共同的缺點(diǎn)。淤不夠“人性化"；于存在電能浪費的現象；盂耗費人力，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(wú)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(wú)效照明供給。隨著(zhù)智能照明系統的發(fā)展，其在節能與管理方面優(yōu)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*佳。通過(guò)智能照明控制系統，可以實(shí)現整個(gè)校園公共區域及不同功能建筑物的照明和能源管理，通過(guò)不同的場(chǎng)景模式、定時(shí)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(jìn)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(chǎng)，存在無(wú)線(xiàn)式智能照明系統與總線(xiàn)式智能照明系統兩種主要形式，他們各有優(yōu)劣。

2.1無(wú)線(xiàn)智能照明系統介紹

無(wú)線(xiàn)型智能照明控制系統根據采用的無(wú)線(xiàn)協(xié)議而分為WIFI、Zigbee、ENOCEN和無(wú)線(xiàn)射頻燈等。無(wú)線(xiàn)智能照明系統，不需要設備連接總線(xiàn)運行，實(shí)現了眾多智能照明控制器與智能照明監控管理中心的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，再通過(guò)與設備現場(chǎng)每一臺智能照明控制器在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信聯(lián)系。具有設計簡(jiǎn)單，安裝、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)省去了布網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)等各種器材和人工費用。缺點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)智能照明系統運行中，其十分依賴(lài)無(wú)線(xiàn)協(xié)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(shí)不穩定。

2.2總線(xiàn)式智能照明系統介紹

總線(xiàn)式智能照明控制系統將各設備使用現場(chǎng)總線(xiàn)連接起來(lái)形成照明系統的形式對照明回路進(jìn)行智能化的控制?？偩€(xiàn)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(jiǎn)便化的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是施工布線(xiàn)工程量大，影響美觀(guān)。

3、FLCS智能化照明的系統原理及特點(diǎn)

北京某學(xué)院出于穩定的角度*終選擇總線(xiàn)式智能照明系統，通過(guò)招標，*終選擇FLCS（Flexible Lighting Control Sys原tem，柔性智能燈光系統）

3.1FLCS智能化照明的系統原理

FLCS智能照明系統是在RS485基礎上研發(fā)的總線(xiàn)式智能照明系統，可以單獨自組解決方案的同時(shí)，也可以與市場(chǎng)上不同通訊協(xié)議（包含DALI，KNX，MODBUS-TCP）的系統搭配，實(shí)現靈活多樣的行業(yè)智能化照明控制解決方案。

FLCS智能照明系統包括開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器、調光驅動(dòng)器、場(chǎng)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(shí)現整個(gè)控制系統可圖形化編程組態(tài)的軟件界面，及通過(guò)云服務(wù)可以遠程下載和調試的服務(wù)。

FLCS智能化照明是一套利用程序控制系統，通過(guò)通訊傳輸技術(shù)，信息智能化處理及電器控制等技術(shù)組成的分布式控制系統，實(shí)現對燈光具有高度的強弱調節、場(chǎng)景設置、定時(shí)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(zhì)量。

3.2 FLCS智能化照明的特點(diǎn)

FLCS智能化照明具有安全可靠、性能優(yōu)良、系統成熟、維保簡(jiǎn)捷等特點(diǎn)。

4、智能化照明系統形成機理

4.1教學(xué)樓智能化照明系統

教學(xué)樓五層分別各用一個(gè)網(wǎng)關(guān)經(jīng)總線(xiàn)將各個(gè)教室的智能照明設備連接起來(lái)，再由監控室的電腦通過(guò)后臺FLCS智能照明控制軟件進(jìn)行監控。如圖1所示。

圖1北京某學(xué)院智能照明系統

技術(shù)人員由一鍵智能面板時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)會(huì )將該按鍵已編寫(xiě)程序內容數據發(fā)送到開(kāi)關(guān)模塊處，然后實(shí)現程序效果。

4.2教學(xué)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(gè)模塊的功能來(lái)制定嚴格的判斷開(kāi)關(guān)燈創(chuàng )新綜合性方案。

（1）按人數控制。教學(xué)樓有階梯教室也有小教室，階梯教室滿(mǎn)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(mǎn)足一個(gè)學(xué)生從教室門(mén)口進(jìn)入的條件則計數器加1，反之滿(mǎn)足出門(mén)的條件則計數器減1，當教室內人數達到一定數量的時(shí)候，FLCS智能照明系統會(huì )判定該教室的需光亮度，然后打開(kāi)相應數量的燈具。要實(shí)現這個(gè)計數功能只有計數器是完不成的，還需要在教室門(mén)口安裝紅外對射，與計數器聯(lián)動(dòng)方可實(shí)現功能。北京某學(xué)院教學(xué)樓設定的控制條件是：當紅外對射感應到有1個(gè)人從門(mén)口進(jìn)入教室時(shí)，計數器加1，當前教室會(huì )打開(kāi)1排燈，且在計數器計數為（1~9）人情況下教室燈保持開(kāi)一排燈的狀態(tài)，當計數器為（10~29）時(shí)為開(kāi)2排燈，為（30~49）的時(shí)候開(kāi)3排燈，50及以上教室燈全開(kāi)。如果說(shuō)人體計數器是一個(gè)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(wú)人情況下燈具仍然打開(kāi)的現象，智能照明系統利用紅外傳感本身的產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，觸發(fā)時(shí)為一個(gè)判定，靜置時(shí)為另一個(gè)判定，量身為教室訂制一個(gè)人在燈保持開(kāi)、人走燈關(guān)的效果。當教室內有學(xué)生上課時(shí)（計數器上有人數數據時(shí)），教室內燈具會(huì )保持打開(kāi)當前需光亮度的燈具，而當教室內學(xué)生都離開(kāi)了（計數器歸零時(shí)），而部分燈還打開(kāi)的情況下，紅外傳感器此時(shí)無(wú)人可觸發(fā)它，它就會(huì )根據我們編好的程序延時(shí)10s進(jìn)行關(guān)閉燈具的動(dòng)作。

（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(huán)境下，通過(guò)判斷自然光照射到教室的亮度是否達到學(xué)習需光亮度的要求，若達到要求但靠窗燈具仍打開(kāi)情況下會(huì )進(jìn)行關(guān)閉燈具的動(dòng)作。

（3）FLCS系統的智能面板控制。技術(shù)人員可編程開(kāi)關(guān)燈場(chǎng)景指令數據到網(wǎng)關(guān)上儲存，通過(guò)觸發(fā)面板上相應的按鍵，往網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)動(dòng)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(fā)送到該教室的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器上，實(shí)現其場(chǎng)景效果。智能面板是作為教室開(kāi)關(guān)燈的一個(gè)主控制來(lái)使用。

（4）時(shí)間控制。FLCS智能照明系統根據學(xué)校的上下課時(shí)間、休息時(shí)間給各教室設置了定時(shí)的開(kāi)關(guān)燈動(dòng)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(wǎng)關(guān)，再通過(guò)已經(jīng)布局好的平面圖清楚地顯示出每間課室的燈具開(kāi)關(guān)情況以及學(xué)生數量，實(shí)時(shí)刷新?tīng)顟B(tài)，管理的智能化系統使整個(gè)教學(xué)樓的照明煥然一新。

5、實(shí)施智能化照明后節能分析

自北京某學(xué)院教學(xué)樓使用FLCS智能照明控制系統以來(lái)，取得了非?？捎^(guān)的節能效果。教學(xué)樓在改造智能照明之前，2個(gè)月共61天時(shí)間里總計消耗了65785kW·h。智能照明改造前后耗電量見(jiàn)表1。在智能照明改造之后，同期節省用電量效果明顯，總計消耗42256kW·h。北京某學(xué)院每一度電的價(jià)格為0.52元/度。所以在去年未改造前同期產(chǎn)生電費65785伊0.52=34208.2元，改造后同期產(chǎn)生電費42256伊0.52=21973.12元，同期智能照明改造回報率高達35%。

表1北京某學(xué)院教學(xué)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(wèn)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(shí)過(guò)于機械化，模塊對判定人流增減有硬性要求，這種情況下會(huì )使計數器產(chǎn)生一點(diǎn)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(huì )出現無(wú)人誤觸發(fā)開(kāi)燈現象，這種情況屬于感應器靈敏程度過(guò)高導致。計數設備的功能是基于功能需求做出，寫(xiě)入的公式只判定加減，在判斷數據上會(huì )受一些特殊情況影響其統計功能。同時(shí)感應設備受環(huán)境影響，因觸發(fā)條件或許不是人為的，但設備依然滿(mǎn)足到了觸發(fā)條件，從而出現誤觸發(fā)現象。

6.2解決問(wèn)題的辦法思路

在分析人體計數器問(wèn)題上，發(fā)現了其問(wèn)題所在，主要是學(xué)生同時(shí)出入門(mén)但只計算一個(gè)人數，還有就是因聯(lián)動(dòng)人體計數器的紅外對射安裝在腿部位置，在學(xué)生出入門(mén)時(shí)有概率在擺動(dòng)雙腿過(guò)程中1人計算成2人的小部分情況；我們通過(guò)技術(shù)上不斷地測試，嘗試解決這種誤差，但都沒(méi)有取得非常好的減少誤差效果。因此，想出另一個(gè)思路，利用教室安裝的紅外感應器，將誤差后導致的教室無(wú)人，計數器仍有少量人數統計使教室不關(guān)燈的情況解決。其思路是通過(guò)紅外感應器，感應到教室無(wú)人的情況下，系統將人體計數器的人數統計清零，從而實(shí)現教室燈全關(guān)的效果。

（1）人體計數器不可避免會(huì )產(chǎn)生誤差，目前新型的存在感應器，只要人呼吸或微小的活動(dòng)就能感知人的存在，是解決教室人數和人數變化的*佳設備，他的產(chǎn)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(guò)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(shí)施后耗電量可在軟件上、實(shí)際電表數上體現出來(lái)。

（3）學(xué)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、安科瑞智能照明控制系統

7.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線(xiàn)技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩定。開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時(shí)預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿(mǎn)足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數據交換。

7.2應用場(chǎng)所

適合于各類(lèi)智能小區、醫院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機場(chǎng)、隧道、車(chē)站等大型公建項目的照明控制需求。

7.3系統結構

7.4系統功能

1）實(shí)時(shí)檢測并顯示各個(gè)模塊的在線(xiàn)狀態(tài)，反饋現場(chǎng)受控回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來(lái)瀏覽。

2）當發(fā)生模塊離線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)設備掉線(xiàn)或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì )發(fā)生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個(gè)照明回路實(shí)現開(kāi)關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應的模塊控制開(kāi)關(guān)和樓層控制開(kāi)關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。

4）開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過(guò)零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長(cháng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個(gè)照明回路可以預設掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時(shí)，開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器會(huì )自動(dòng)切換到預設的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調光控件，照明設備從0%到100%進(jìn)行調光，可以對單個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，調光總控可以對一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現調光控制，也可以對多個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，通過(guò)圖標的亮滅狀態(tài)反饋現場(chǎng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開(kāi)或者關(guān)閉對應場(chǎng)景設置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過(guò)圖標的亮滅顯示對應的場(chǎng)景狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉。

8）設置定時(shí)時(shí)間，確認時(shí)間點(diǎn)后，對該事件點(diǎn)執行的動(dòng)作進(jìn)行設置，設置燈在設定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統可以通過(guò)預設的當地經(jīng)緯度信息，自動(dòng)計算每天的日升日落時(shí)間；根據天文時(shí)鐘控制照明開(kāi)關(guān)，實(shí)現日落開(kāi)燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計劃均可下發(fā)保存至驅動(dòng)模塊；當上位機系統故障或模塊離線(xiàn)時(shí)，驅動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計劃的正常執行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線(xiàn)結構；系統內各元件不依賴(lài)于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過(guò)程序的設定實(shí)現功能的多樣性。

12）預留BA或第三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

7.5設備選型

8、結束語(yǔ)

通過(guò)智能照明改造，解決了農學(xué)院教學(xué)樓大量無(wú)效照明供 給問(wèn)題，節能效果明顯，同時(shí)也提升了相關(guān)的管理水平。智能照 明控制系統利用總線(xiàn)系統代替傳統種類(lèi)繁多的普通電纜, 使照 明、場(chǎng)景控制實(shí)現智能化,并依據外部環(huán)境的變化自動(dòng)調節總線(xiàn) 中設備的狀態(tài),同時(shí)可以擴展到分體空調、中央空調等用能設備 的控制，*終達到安全、節能、人性化的智慧化教學(xué)場(chǎng)所。同時(shí)未 來(lái)的電氣安裝系統將吸取目前各類(lèi)總線(xiàn)制智能安裝系統的優(yōu) 點(diǎn)，通過(guò)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(wǎng)絡(luò )化的多功能網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制 系統。

推廣大學(xué)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(zhù)國內高校節約型校園建設和智慧校園的建設的深入進(jìn)行，智 能化照明因市場(chǎng)巨大、前景光明。

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作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能照明控制系統領(lǐng)域。