淺談智能化照明控制在高校教室的作用

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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

【關(guān)鍵字】：智能化照明；無效照明；節(jié)能；柔性智能燈光系統(tǒng)。

0 引言

闡述北京某學(xué)院教學(xué)樓智能照明改造前的傳統(tǒng)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(jì)數(shù)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)樓與圖書館照明的背景

當(dāng)前在建設(shè)生態(tài)文明、美麗中國大環(huán)境下，作為大學(xué)也要執(zhí)行精準(zhǔn)的能源供給，減少無效能源的供給，避免浪費(fèi)，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(cè)改革的一次嘗試。通過技術(shù)改造，在保障照度的情況下，實(shí)現(xiàn)按需提供照明，減少無效照明供給，達(dá)到節(jié)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(nèi)照度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業(yè)；即使室內(nèi)無人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開啟室內(nèi)照明。夜間許多教室，即使僅有幾個(gè)學(xué)生在教室自習(xí)，室內(nèi)照明全部開啟，不會(huì)有師生因?yàn)橹挥猩贁?shù)人而僅開幾盞燈。長明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象到處存在，可以說無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關(guān)面板各控制每一條線路的燈；這種傳統(tǒng)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(fèi)的現(xiàn)象；盂耗費(fèi)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(shù)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(tǒng)的發(fā)展，其在節(jié)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(jié)合才可以把照明節(jié)能和管理工作做到*佳。通過智能照明控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)校園公共區(qū)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(shí)模式、感應(yīng)模式、集中控制模式等，可以對校園內(nèi)的所有照明系統(tǒng)進(jìn)行管理，達(dá)到預(yù)期節(jié)能減排及有效人性化控制管理的目標(biāo)，使校園更加“智慧"。

2 采用智能化照明系統(tǒng)的思路

智能照明市場，存在無線式智能照明系統(tǒng)與總線式智能照明系統(tǒng)兩種主要形式，他們各有優(yōu)劣。

2.1無線智能照明系統(tǒng)介紹

無線型智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)采用的無線協(xié)議而分為WIFI、Zigbee、ENOCEN和無線射頻燈等。無線智能照明系統(tǒng)，不需要設(shè)備連接總線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了眾多智能照明控制器與智能照明監(jiān)控管理中心的無線組網(wǎng)，再通過與設(shè)備現(xiàn)場每一臺智能照明控制器在線網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系。具有設(shè)計(jì)簡單，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無線組網(wǎng)省去了布網(wǎng)絡(luò)線等各種器材和人工費(fèi)用。缺點(diǎn)是無線智能照明系統(tǒng)運(yùn)行中，其十分依賴無線協(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(dǎo)致運(yùn)行照明系統(tǒng)時(shí)不穩(wěn)定。

2.2總線式智能照明系統(tǒng)介紹

總線式智能照明控制系統(tǒng)將各設(shè)備使用現(xiàn)場總線連接起來形成照明系統(tǒng)的形式對照明回路進(jìn)行智能化的控制?？偩€式智能照明控制系統(tǒng)，具有多種控制策略，冗余度高，抗干擾性能力強(qiáng)和工作穩(wěn)定，維修簡便化的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是施工布線工程量大，影響美觀。

3 FLCS智能化照明的系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

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

3.1FLCS智能化照明的系統(tǒng)原理

FLCS智能照明系統(tǒng)是在RS485基礎(chǔ)上研發(fā)的總線式智能照明系統(tǒng)，可以單獨(dú)自組解決方案的同時(shí)，也可以與市場上不同通訊協(xié)議（包含DALI，KNX，MODBUS-TCP）的系統(tǒng)搭配，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)光驅(qū)動(dòng)器、場景面板、光照度傳感器、人體感應(yīng)器等各種硬件設(shè)備，還有可實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)可圖形化編程組態(tài)的軟件界面，及通過云服務(wù)可以遠(yuǎn)程下載和調(diào)試的服務(wù)。

FLCS智能化照明是一套利用程序控制系統(tǒng)，通過通訊傳輸技術(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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對燈光具有高度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、場景設(shè)置、定時(shí)設(shè)置的功能。從照明的舒適度和控制的精細(xì)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(tǒng)成熟、維保簡捷等特點(diǎn)。

4 智能化照明系統(tǒng)形成機(jī)理

4.1教學(xué)樓智能化照明系統(tǒng)

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

圖1北京某學(xué)院智能照明系統(tǒng)

技術(shù)人員由第一鍵智能面板時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)會(huì)將該按鍵已編寫程序內(nèi)容數(shù)據(jù)發(fā)送到開關(guān)模塊處，然后實(shí)現(xiàn)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，F(xiàn)LCS用了多個(gè)模塊的功能來制定嚴(yán)格的判斷開關(guān)燈創(chuàng)新綜合性方案。

（1）按人數(shù)控制。教學(xué)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，F(xiàn)LCS智能照明系統(tǒng)采用根據(jù)課室人數(shù)決定燈光需求的方案。具體是每間教室都使用人體計(jì)數(shù)器，運(yùn)用邏輯判斷，如果滿足一個(gè)學(xué)生從教室門口進(jìn)入的條件則計(jì)數(shù)器加1，反之滿足出門的條件則計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，F(xiàn)LCS智能照明系統(tǒng)會(huì)判定該教室的需光亮度，然后打開相應(yīng)數(shù)量的燈具。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)數(shù)功能只有計(jì)數(shù)器是完不成的，還需要在教室門口安裝紅外對射，與計(jì)數(shù)器聯(lián)動(dòng)方可實(shí)現(xiàn)功能。北京某學(xué)院教學(xué)樓設(shè)定的控制條件是：當(dāng)紅外對射感應(yīng)到有1個(gè)人從門口進(jìn)入教室時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)前教室會(huì)打開1排燈，且在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為（1~9）人情況下教室燈保持開一排燈的狀態(tài)，當(dāng)計(jì)數(shù)器為（10~29）時(shí)為開2排燈，為（30~49）的時(shí)候開3排燈，50及以上教室燈全開。如果說人體計(jì)數(shù)器是一個(gè)智能、合理化使用燈光的設(shè)備，那么，紅外傳感器與照度傳感器就是在他原有的基礎(chǔ)上條件，更規(guī)范的控制燈具。紅外傳感規(guī)范了教室無人情況下燈具仍然打開的現(xiàn)象，智能照明系統(tǒng)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、人走燈關(guān)的效果。當(dāng)教室內(nèi)有學(xué)生上課時(shí)（計(jì)數(shù)器上有人數(shù)數(shù)據(jù)時(shí)），教室內(nèi)燈具會(huì)保持打開當(dāng)前需光亮度的燈具，而當(dāng)教室內(nèi)學(xué)生都離開了（計(jì)數(shù)器歸零時(shí)），而部分燈還打開的情況下，紅外傳感器此時(shí)無人可觸發(fā)它，它就會(huì)根據(jù)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，通過判斷自然光照射到教室的亮度是否達(dá)到學(xué)習(xí)需光亮度的要求，若達(dá)到要求但靠窗燈具仍打開情況下會(huì)進(jìn)行關(guān)閉燈具的動(dòng)作。

（3）FLCS系統(tǒng)的智能面板控制。技術(shù)人員可編程開關(guān)燈場景指令數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)上儲(chǔ)存，通過觸發(fā)面板上相應(yīng)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(xí)模式的指令發(fā)送到該教室的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器上，實(shí)現(xiàn)其場景效果。智能面板是作為教室開關(guān)燈的一個(gè)主控制來使用。

（4）時(shí)間控制。FLCS智能照明系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校的上下課時(shí)間、休息時(shí)間給各教室設(shè)置了定時(shí)的開關(guān)燈動(dòng)作。

（5）后臺計(jì)算機(jī)的監(jiān)控。由FLCS智能照明中央監(jiān)控軟件，連接到智能網(wǎng)關(guān)，再通過已經(jīng)布局好的平面圖清楚地顯示出每間課室的燈具開關(guān)情況以及學(xué)生數(shù)量，實(shí)時(shí)刷新狀態(tài)，quan方位管理的智能化系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)以來，取得了非?？捎^的節(jié)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(jì)消耗了65785kW·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(jié)省用電量效果li竿見影，總計(jì)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(fèi)65785伊0.52=34208.2元，改造后同期產(chǎn)生電費(fèi)42256伊0.52=21973.12元，同期智能照明改造投資回報(bào)率高達(dá)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題的辦法思路

6.1智能化照明的不足

（1）因人體計(jì)數(shù)器在使用時(shí)過于機(jī)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(jì)數(shù)器產(chǎn)生一點(diǎn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)上的誤差，從而導(dǎo)致影響控制燈具。

（2）紅外感應(yīng)器有會(huì)出現(xiàn)無人誤觸發(fā)開燈現(xiàn)象，這種情況屬于感應(yīng)器靈敏程度過高導(dǎo)致。計(jì)數(shù)設(shè)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(shù)據(jù)上會(huì)受一些特殊情況影響其統(tǒng)計(jì)功能。同時(shí)感應(yīng)設(shè)備受環(huán)境影響，因觸發(fā)條件或許不是人為的，但設(shè)備依然滿足到了觸發(fā)條件，從而出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象。

6.2解決問題的辦法思路

在分析人體計(jì)數(shù)器問題上，發(fā)現(xiàn)了其問題所在，主要是學(xué)生同時(shí)出入門但只計(jì)算一個(gè)人數(shù)，還有就是因聯(lián)動(dòng)人體計(jì)數(shù)器的紅外對射安裝在腿部位置，在學(xué)生出入門時(shí)有概率在擺動(dòng)雙腿過程中1人計(jì)算成2人的小部分情況；我們通過技術(shù)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(gè)思路，利用教室安裝的紅外感應(yīng)器，將誤差后導(dǎo)致的教室無人，計(jì)數(shù)器仍有少量人數(shù)統(tǒng)計(jì)使教室不關(guān)燈的情況解決。其思路是通過紅外感應(yīng)器，感應(yīng)到教室無人的情況下，系統(tǒng)將人體計(jì)數(shù)器的人數(shù)統(tǒng)計(jì)清零，從而實(shí)現(xiàn)教室燈全關(guān)的效果。

（1）人體計(jì)數(shù)器不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，目前新型的存在感應(yīng)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(shù)和人數(shù)變化的*佳設(shè)備，他的產(chǎn)生可以準(zhǔn)確的判斷教室的人數(shù)。

（2）用電量控制：FLCS智能照明控制系統(tǒng)可根據(jù)使用方提出的合理化降低用電量的需求，通過一系列的數(shù)據(jù)分析，從燈具功率到1間教室的耗電量做出相應(yīng)的節(jié)能方案，方案實(shí)施后耗電量可在軟件上、實(shí)際電表數(shù)上體現(xiàn)出來。

（3）學(xué)校計(jì)劃將對教室的分體空調(diào)的控制融入到FLCS智能照明系統(tǒng)中，策劃的方案理念符合節(jié)能、智能并且便于管理。

7安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

7.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

7.2應(yīng)用場所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場所、機(jī)場、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)檢測并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)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(xiàn)開關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場景控件，打開或者關(guān)閉對應(yīng)場景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標(biāo)的亮滅顯示對應(yīng)的場景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或第三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

7.5設(shè)備選型

8 結(jié)束語

通過智能照明改造，解決了農(nóng)學(xué)院教學(xué)樓大量無效照明供 給問題，節(jié)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(tǒng)利用總線系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)種類繁多的普通電纜, 使照 明、場景控制實(shí)現(xiàn)智能化,并依據(jù)外部環(huán)境的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)總線 中設(shè)備的狀態(tài),同時(shí)可以擴(kuò)展到分體空調(diào)、中央空調(diào)等用能設(shè)備 的控制，*終達(dá)到安全、節(jié)能、人性化的智慧化教學(xué)場所。同時(shí)未 來的電氣安裝系統(tǒng)將吸取目前各類總線制智能安裝系統(tǒng)的優(yōu) 點(diǎn)，通過更多地向樓宇自控、安全防范等其他系統(tǒng)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(biāo) 準(zhǔn)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(tǒng)。

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(tǒng)，智能樓宇是智慧校園建設(shè)的范疇，隨 著國內(nèi)高校節(jié)約型校園建設(shè)和智慧校園的建設(shè)的深入進(jìn)行，智 能化照明因市場巨大、前景光明。

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作者簡介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)領(lǐng)域。