智能照明系統(tǒng)在節(jié)能改造中的應(yīng)用

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國家和大眾對高等教育越來越重視。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，我國高校建筑面積和招生人數(shù)都在逐年上漲，然而，隨之產(chǎn)生的高校能耗問題對我國經(jīng)濟社會環(huán)境造成了不小的壓力。高校屬于能源消耗大戶，因此對高校進行節(jié)能改造是當(dāng)務(wù)之急。其中，照明系統(tǒng)需要消耗大量電能，因此，對于智能照明系統(tǒng)在高校節(jié)能改造的應(yīng)用的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 高校照明概況

教室是高校教學(xué)工作的主要場所，對光照要求較高，所以教室布置的燈具多，需要的照明時間長。教室照明用電量在高?？傆秒娏恐姓加蟹浅４蟮谋壤?。

一般而言，高校對于教室采用開放式的管理模式，學(xué)生上課和自習(xí)基本上無固定的教室，經(jīng)常出現(xiàn)人走燈不滅，無人也開燈等浪費現(xiàn)象。有些學(xué)生的節(jié)約意識不強，教室在白天光線很好的情況下，仍然打開照明燈，或者最后離開教室的學(xué)生不自覺關(guān)燈等等原因，時常導(dǎo)致各個教室白天和晚上都是燈火長明，造成了嚴重浪費用電的局面。

另外，高校大多采用的是熒光燈，屬于低效光源，需要消耗大量能源。由此可見，高校照明系統(tǒng)節(jié)能改造的任務(wù)迫在眉睫。

2 智能化照明系統(tǒng)整體方案

2.1 選用新型 LED 燈具

照明燈是智能照明控制系統(tǒng)的被控對象，因此照明燈具的合理選擇非常重要，也是教學(xué)樓照明系統(tǒng)節(jié)能改造的重要組成部分。LED 燈是目前應(yīng)用范圍最為廣泛的節(jié)能環(huán)保燈。采用 LED 燈可以大大節(jié)約電能。在相同照度下，其耗電量僅為白熾燈的十分之一左右，熒光燈的二分之一左右。

2.2 采用智能照明控制系統(tǒng)

智能照明控制系統(tǒng)是以自動控制為主、手動控制為輔的照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由紅外傳感器、光照傳感器、控制電路、LED 燈具、控制開關(guān)等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

在無人參與的情況下，照明系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)LED 燈的開關(guān)和調(diào)光功能。該系統(tǒng)采用紅外傳感技術(shù)，將人體體溫作為檢測對象。當(dāng)人進入其探測范圍內(nèi)，紅外傳感器將人體體溫與室溫的差值傳遞給信號采集電路，從而實現(xiàn)對控制對象的自動控制[2]。

另外，在控制電路中加入了光控門和自鎖電路，當(dāng)室內(nèi)光線強度達到國家標準時，即使教室內(nèi)有人或有人自行開燈也不予支持，這樣可以避免白天室內(nèi)光照強度達到國家標準的情況下，開燈上課或自習(xí)的嚴重浪費現(xiàn)象。教室內(nèi)并非每個角落都需要同樣的光照強度。

教室內(nèi)照明應(yīng)該分區(qū)控制，根據(jù)學(xué)生人數(shù)來調(diào)整照明，以保證當(dāng)無人時燈自動熄滅，以避免無人時燈火長明。智能照明系統(tǒng)可以在保證照明質(zhì)量的同時，使得照明時間更加有效合理，避免浪費現(xiàn)象。

2.3 系統(tǒng)功能模塊的方案設(shè)計

本系統(tǒng)是基于單片機技術(shù)來實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制，其主要實現(xiàn)的功能有：自動判別教室內(nèi)是否有人以及具體的人數(shù)；智能檢測教室內(nèi)的光線強弱；遇到特殊情況設(shè)計人工手動操作解決問題等等。

2.3.1 控制模塊方案設(shè)計

控制器是智能照明控制系統(tǒng)的核心部分，由控制電路、驅(qū)動電路和照明專用自鎖繼電器組成?？刂颇K作用是對教室內(nèi)的自然光照度和有沒有人進行判斷，以便合理控制教室內(nèi)的照度。其通過熱釋電紅外傳感器判斷教室有無人，同時接收光照強度檢測電路的輸出信號檢測教室內(nèi)自然光的強度來綜合研判。如果自然光照度滿足條件的話，則不打開照明燈；當(dāng)自然光照度不滿足條件且有人時，才自動打開照明燈。照明燈打開之后，照明控制系統(tǒng)會實時檢測教室內(nèi)自然光強度和是否有人。

該系統(tǒng)的主控制器選用 STC89C52 單片機，其運行功耗較小。STC89C52 具有 8 k 字節(jié) Flash ，512 字節(jié) RAM，其內(nèi)部自帶 4 k 字節(jié) EEPROM 的存儲空間，需要下載的時候只需使用串口即可。另外，其還具有 32 個 I/O 口，為系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的便利。

2.3.2 人員檢測模塊方案設(shè)計

系統(tǒng)采用熱釋紅外傳感器檢測室內(nèi)是否有人。熱釋紅外傳感器是利用紅外線或超聲波的原理，自動識別教室內(nèi)是否有人，并給控制器發(fā)送信號，從而實現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅的自動控制功能[3-4]。

熱釋紅外傳感器與 BISS0001 硬件連接示意圖如圖 2 所示。

BISS0001 是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的集成電路。如圖 2 所示，熱釋傳感器檢測到由人發(fā)出的信號后，將其轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓輸送給BISS0001，再將得到的數(shù)字信號的高低電平輸出給STC89C52 單片機。

2.3.3 光照強度檢測模塊方案設(shè)計

教室的光照強度用光敏傳感器來檢測。光敏傳感器將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出[5]。光照傳感器應(yīng)該分區(qū)域布置，在教室中間位置和內(nèi)墻位置分別布置光照傳感器來檢測室內(nèi)的自然光強度，窗戶附近安裝光照傳感器來測量自然光照度。另外，LED 燈可根據(jù)不同光照傳感器的輸出信號來自動調(diào)節(jié) LED 的亮度。

光敏傳感器電路與 ADC0809 以及控制器接口相連接的示意圖如圖 3 所示。

根據(jù)光照度傳感器的原理可知，光照強度信號可以被其檢測并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓輸出,進而由ADC0809 記錄對應(yīng)的電壓值，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由D0-D7 口輸出到 STC89C52。另外，在電源引腳處連接一個 0.1 μF 的電容濾波去耦，減少外部電路對芯片造成的影響。

3 智能照明系統(tǒng)在高校節(jié)能改造中的應(yīng)用

以安徽省某高校為實例，將智能照明系統(tǒng)應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)樓的節(jié)能改造中。該校在校師生人數(shù)近 20 000 萬人，有 A、B、C、D、E、F，6 棟教學(xué)樓。教室目前采用的是 40 W 的雙管日光燈（實際耗電功率為 48 W）。按照全年工作 300 天，每天開燈16 小時，電費 0.6 元 / kWh 計算，全校每年教學(xué)樓照明電費約為 179.7 萬元。國產(chǎn)電燈的使用壽命 3 000小時左右，每年需要更換燈管，每年全校教室照明運行費用合計約為 15.6 萬元。由此可見，高校教室具有很大的節(jié)能改造空間。

（1）節(jié)電率。用功率為 18 W 的 LED 燈替代原先使用的 40 W 的雙管日光燈。LED 燈的照明效果超過傳統(tǒng)的日光燈，課桌桌面照度可達 300 lx。該高校所處地區(qū)，年平均陰天天數(shù)和多云天氣加起來約200 天，全年工作天數(shù)約 300 天，故以全天 16 小時來計算，實際自動關(guān)燈率約為 33.3%，則經(jīng)過節(jié)能改造后的節(jié)電率為公式（1）。

（1）

（2）經(jīng)濟效益。每間教室實施照明節(jié)能改造時，18 W 的 LED（實際耗電功率為 20 W 左右）燈管每支成本約為 100 元，需要 50 支，合計為 5 000元。電源板、控制電路板、光照傳感器、紅外傳感器模塊以及布線、開關(guān)盒合計約為 400 元左右，合計每間教室投入資金約 5 400 元。全校 260 間教室，以 LED 燈最低全壽命周期為 3 年進行估算，經(jīng)濟效益見表 1。

由表 1 可知，對教學(xué)樓照明系統(tǒng)進行改造后，以 LED 燈最少使用周期為 3 年進行計算，每三年可以節(jié)約照明開支費用為 323.7 萬元。由此可見，在高校教室內(nèi)采用智能照明系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語

在我國大多數(shù)高校中，教室普遍采用開放式的管理方式，造成了能源嚴重浪費的問題。與一般照明場所相比而言，高校教室燈光設(shè)計較為嚴格，沒有智能化的照明控制系統(tǒng)，將浪費大量電能。本文以安徽某高校為例，對智能照明系統(tǒng)應(yīng)用到高校照明系統(tǒng)中的節(jié)能效益進行了估算，計算結(jié)果表明節(jié)能效果顯著。

因此，智能照明控制系統(tǒng)可以在其他高校中推廣，這樣不僅可以提高高校照明系統(tǒng)的管理水平，而且可以為學(xué)校節(jié)省大量的電費。