學校智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與應用

李應生， 龐建麗

（黃淮學院，河南駐馬店463000）

據(jù)統(tǒng)計，我國的照明用電占整個電力的15%左右[1]，實行節(jié)能的潛力很大。學校用電照明費用是學校電費的主體，人為造成照明能源浪費的現(xiàn)象仍然非常嚴重。根據(jù)不完全統(tǒng)計80%的教學樓存在著在白天光照良好的情況下教室燈具開啟和在午休時間長明燈的現(xiàn)象。造成電能浪費的現(xiàn)象除了節(jié)能意識薄弱以外，另一個重要的原因就是節(jié)能照明智能控制器的應用與研究不夠，使用的照明電器電光轉換效率不高，電器使用壽命短，這些都增大了學校的用電費用。積極開展學校智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與應用，會大大提高學校照明電力的管理水平，為校方節(jié)省大量的電費支出，為學校師生提供了一個更舒適、明亮的學習和工作環(huán)境。從而達到智能節(jié)能照明的節(jié)能、環(huán)保、方便的目的。

1 項目研究開發(fā)的內容及目標

通過對各類典型學校的實地考查、調研與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。研究教學樓、實驗樓、圖書館、學生寢樓、體育館、行政中心、學校園區(qū)、學生生活區(qū)對照明的科學要求，并根據(jù)控制對象的特點研究整個校園的智能節(jié)能照明控制系統(tǒng)的具體實施方案。

項目的技術關鍵；（1） 研究學校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則；（2）控制系統(tǒng)的硬件與軟件設計。

2 學校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則

電光源的主要特性有發(fā)光效率、顯色性、使用壽命、使用要求及成本等。顯色性通常稱為顯色指數(shù)(R)，它能直觀地描述電光源顯色性能的高低。以太陽光的R=100為標準。光源實際的R值越高．光源的顯色性能越接近于太陽光，光源的顯色性能也就越好[2]。

主要電光源的技術性能指標見表1所示。由表1中可以看出[3]，如用25 W的普通熒光燈取代100 W的白熾燈，取代后照度增加16%，可節(jié)電75 W，電費節(jié)省(節(jié)電率)達75%。用電子式鎮(zhèn)流器、管徑T8(26 mm)、功率32 W的直管型熒光燈升級換代管徑T12(38 mm)、功率40 W普通熒光燈，取代后照度提高12%、28%，電費節(jié)省(節(jié)電率)達20%。

學校照明電光源選用堅持的原則是燈具效率要高；要按室內空間比選擇燈具的配光，提高利用系數(shù)；使用壽命要長，性能價格要高。不但要獲得良好的照明效果，還要以TOC（客戶總成本）的觀點來計算分析，即總成本=采購成本+使用成本+維護成本，同時要兼顧燈具的外觀與分布設計，從而達到節(jié)能的目的。

表1 主要電光源的技術性能指標

3 教學樓與圖書館用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設計

根據(jù)學校照明電光源的節(jié)能分析與選用原則，教學樓與圖書館的照明電光源應優(yōu)先選用T8直管型熒光燈。

3.1 系統(tǒng)的設計構思

我國《建筑照明設計標準》(GB50034-2004)規(guī)定教室或一般閱覽室照度的標準值是300 lx[4]。經(jīng)過實際調研發(fā)現(xiàn)教室或一般閱覽室照度在200 lx以上時，基本可滿足照明要求，因此選用分組與分級并用的照明調光方式。根據(jù)教室或閱覽室座位的多少將室內燈具分成組，每組燈具對應30個左右座位，每個燈罩內安裝三個日光燈管，燈具安裝數(shù)量與位置根據(jù)室內實際情況進行合理的設計，使燈罩內每一個日光燈管點亮時，給室內提供的照度為100 lx。當室內照度Ev≥300 lx時關閉室內所有燈具。當室內照度Ev＜200 lx時，則根據(jù)對室內人數(shù)統(tǒng)計確定開啟燈具的組數(shù)和燈罩內燈管數(shù)量。以室內5組燈具（對應150個座位左右）為例，室內人數(shù)在1～30時開一組燈，31～60人時開兩組燈，依次類推,當室內人數(shù)在120人以上時，打開全部的5組燈具，此時每個燈罩內只有一個日光燈管亮。當室內照度下降到在燈罩內只有一個日光燈管亮時照度依然小于200 lx時,燈罩內有兩個日光燈管同時點亮。當室內照度下降到在燈罩內有兩個日光燈管亮時照度依然小于200 lx時,燈罩內三只日光燈管同時點亮。根據(jù)室內照度和人數(shù)的情況對燈具進行分組與分級照明調光控制,實現(xiàn)“按需亮燈”以達到節(jié)能目的。

3.2 系統(tǒng)的硬件設計

(1)照度測量單元設計。根據(jù)控制需要，照度測量單元必須安裝在第一組燈具光照區(qū)。照度測量電路：如圖1所示[5]，當光線照到光電二極管D上時，光電二極管產(chǎn)生的反向電流與照度成正比，反向電流流過100 kΩ電阻時會使運算放大器A1反向端電位下降，經(jīng)過兩級放大轉換，產(chǎn)生可測量的電壓。由于光照區(qū)照在光電二極管上的照度和轉換后的電壓呈現(xiàn)近似線性關系，預先通過調節(jié)燈光照度，使其在光電二極管上的照度為100 lx，然后保持該照度不變，調節(jié)可調電阻R使輸出的電壓為1 V，接著保持R不變，依次驗證當照度測量單元的照度在100～500 lx變化時，輸出與其呈線性關系的電壓在1～5 V。該輸出電壓被送到單片機的模/數(shù)轉換ADC電路。

(2)進/出室內人數(shù)測量單元設計。測量單元傳感器采用雙元型熱釋電紅外器件P2288-02，它具有兩個完全相同的敏感元件，它們按照極化方向反向串聯(lián)，其中一個敏感元件為噪聲補償元件，蒸涂有紅外反射膜，因此它產(chǎn)生的輸出信號較小。人體從不同方向沿著傳感器前兩個敏感元件通過傳感器時其輸出信號波形不同，利用放大電路對傳感器輸出信號進行放大，經(jīng)濾波電路、正向電壓峰值保持電路、窗口電壓比較器和與非門組成的邏輯電路對信號進行最后的處理，并輸出適合于單片機計數(shù)的兩路邏輯電平信號，分別表示人員進/出室內，并與單片機的計數(shù)器0和計數(shù)器1相連，通過計算進/出門的人數(shù)差值得到室內的具體人數(shù)。

(3)針對系統(tǒng)的要求，單片機選用ATmega8TQFP，這是一款價格低廉的高性能、低功耗單片機[6]。工作電壓范圍2.7～5.5 V， 8 kB的在線可編程FLASH程序存貯器，1 kB的SRAM數(shù)據(jù)存貯器，512 B的EEPROM，23個通用可編程I/O引腳，3個定時/計數(shù)器，10位精度的ADC，內置模擬比較器、看門狗定時器、實時時鐘等電路。

(4)采用繼電器分組與分級控制日光燈負載，進行分組與分級照明調光?？刂菩盘栍蓡纹瑱CI/O口輸出。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

單片機軟件的主要功能是：照度測量單元輸出電壓的模/數(shù)轉換；測量進/出室內的人員數(shù)量并計算出室內的人數(shù)；根據(jù)設定的條件，對各組燈具的開/關進行控制。

4 實驗樓用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設計

我國《建筑照明設計標準》規(guī)定實驗室光照度的標準值是300 lx。實驗室的照明電光源應優(yōu)先選用T8直管型熒光燈。系統(tǒng)設計是在教學樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎上改進實現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分，改進分組方法。根據(jù)實驗室內安放的實驗臺數(shù)和每個實驗臺上要求的實驗人數(shù)將實驗室內燈具分成組，每組燈具對應4個實驗臺,每個實驗臺上要求的實驗人數(shù)為2人。每個燈罩內安裝三個日光燈管,燈具安裝數(shù)量與位置根據(jù)室內實際情況進行合理的設計。以室內5組燈具（對應20個實驗臺）為例,當室內照度Ev＜200 lx時,則根據(jù)對實驗室內人數(shù)統(tǒng)計確定開啟燈具的組數(shù)。室內人數(shù)在1～8人時開一組燈,9～16人時開兩組燈,依次類推,當室內人數(shù)在32人以上時,打開全部的5組燈具。分級照明調光方式和教學樓與圖書館用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的分級調光方式相同。根據(jù)實驗室內光照度和人數(shù)的情況對燈具進行控制。

5 學生寢室用日光燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設計

根據(jù)調查統(tǒng)計，在學生寢室每年都會有火災發(fā)生，火災原因多數(shù)是由于使用大功率電器引起的。為此，學生寢室節(jié)能照明設計還要考慮寢室安全問題。學生寢室的照明電光源應優(yōu)先選用T8直管型或緊湊型熒光燈。系統(tǒng)的設計是在教學樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎上改進實現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分，增加學生寢室照明用電電流測量與控制部分，當寢室中有人使用大功率電器引起用電電流超過設定值時，控制部分就自動切斷該寢室的電源，并發(fā)出警報聲，直到用電負載恢復正常，控制部分就自動接通該寢室的電源，并解除警報。在學生寢室中增加煙霧傳感器，當寢室中由于其它意外因素引起火災初起時，控制部分就自動接通警報電路。根據(jù)學生需要，還可以在寢室中增加紅外傳感器，用于防盜報警。

6 體育館、行政中心和多功能廳用LED節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設計

LED是冷光源,白光LED的光效和熒光燈的光效相近,使用壽命是熒光燈的10倍。體育館、行政中心和多功能廳照明電光源選用白光LED，可實現(xiàn)連續(xù)調光，具有美觀大方，使用安全可靠,便于維護的特點。

6.1 系統(tǒng)的設計思路

系統(tǒng)的設計是在教學樓用日光燈節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎上改進實現(xiàn)的。在第一組燈光照區(qū)，若室內照度X＞300 lx時,所有LED燈均不開;若室內照度X＜300 lx時,在室內有人時，第一組燈的所有LED燈均開啟，LED釋放到室內的平均照度E=300－X。單片機接收進/出室內人數(shù)測量單元輸出的信號和光照度測量單元輸出的亮度控制信號。通過單片機處理,輸出調節(jié)脈沖,調節(jié)脈沖經(jīng)隔離、功率放大后接至可控硅控制極，通過控制可控硅的導通角，來控制LED驅動電路的輸出,達到分組與連續(xù)調光并用的照明控制方式。可節(jié)能超過50%。

6.2 LED照明系統(tǒng)和控制模塊設計

采用1 W白光LED，發(fā)光效率為60 lm/W時[7],一支LED的光通量Ф為60 lm。燈具利用系數(shù)U取0.82，維護系數(shù)K取0.86，設計要求室內照度E的標準值是300 lx，每一組燈選用的LED數(shù)是N，對應的室內面積A取50m2。可求得關系式E=ФNUK/A，由此式可得每一組燈選用的LED數(shù)N=(EA)/(ФUK)=(300×50)/(60×0.82×0.86)=359(只)。每一組燈選用的LED數(shù)N取360，將360只LED分裝成9只燈。每只燈上安裝40個LED，40個LED分成4條串聯(lián)支路。每只燈選用一個AP22B320 LED驅動器作為電源，構成一個LED照明控制模塊，電路如圖2所示。

AP22B320是制作一體化半導體燈專用電源變換器,驅動器使用高頻脈寬調制式開關變換電路實現(xiàn)恒流控制，由220 V交流電供電，輸出320 mA穩(wěn)定的單向脈動恒定電流。每只燈的4條串聯(lián)支路并聯(lián)作為驅動器的負載，在驅動器的輸出回路中串入可控硅，用單片機控制可控硅的導通角來調節(jié)每只燈上安裝的LED發(fā)光亮度。在可控硅兩端并聯(lián)阻容串聯(lián)元件吸AP22B320與可控硅產(chǎn)生的諧波干擾。

7 學校園區(qū)與學生生活區(qū)道路燈節(jié)能照明智能控制器與系統(tǒng)的設計

學校園區(qū)與學生生活區(qū)路主干道和次干道的照明光源應優(yōu)先選用高壓鈉燈，也可以選用LED照明模塊；小路和小巷宜采用低壓鈉燈。系統(tǒng)的設計是在行政中心和多功能廳用LED節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)的基礎上改進實現(xiàn)的。保留光照度測量與控制部分。對照明光源選用高壓鈉燈，在電荷低谷時，電壓會上升得很高。這樣一方面大大增加了電光源的電耗，另一方面大大降低了電光源和線路的使用壽命。因此，控制部分應改為雙向晶閘管(移相觸發(fā))調壓，實現(xiàn)照明系統(tǒng)供電電壓的平滑連續(xù)調節(jié)。增加定時控制部分，單片機根據(jù)不同時間段需要的照度，自動改變照度設定值。照度設定值與照度檢測和變送器送來的反饋值進行比較。若實際照度過高時，數(shù)字調節(jié)器自動降低調壓執(zhí)行器的輸出電壓，反之調高調壓執(zhí)行器的輸出電壓，直到實際照度值與設定照度值相等為止。主次干道實行雙回路供電，分全夜燈回路和半夜燈回路，在設定的時間下實行半夜減半照明控制，減去對輔道或人行道的照明。

8 結論

通過科學選用學校照明電光源，利用人體信息與光照信息實現(xiàn)了對學校照明燈具的自動控制，可改善學校環(huán)境，使學校照明系統(tǒng)平均節(jié)電率30%以上，同時照明燈具的維修和管理費用大為減少，使用壽命延長40%以上，用三年左右的時間，學校就可基本收回智能控制系統(tǒng)所增加的全部費用。目前在學校還沒有適合各類學校的、科學合理的智能照明系統(tǒng)。為此，開展學校節(jié)能照明控制系統(tǒng)的研究與推廣，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境預期效益。

[1]胡浩，龍治海.學校照明節(jié)能控制系統(tǒng)與應用電路[J].電工技術，2010（3）：9-10.

[2]魯照權，郭劍.常用電光源與照明節(jié)能[J].電力電子技術，2007，41（2）：99-100.

[3]張君芳.淺談綠色照明及照明設計節(jié)能措施[J].廣東科技，2006，150（2）：106-107.

[4]胡耀斌，蔣彥，朱慧玲．室內大面積照明的節(jié)能控制研究[J].電測與儀表，2007，11：32-35.

[5]戴杰.基于單片機的節(jié)能調光控制器[J].計算機工程應用技術，2008（9）：2258-2259.

[6]周建新，馬潮.單片機語言編程開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]趙玲，朱安慶.智能LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設計[J].半導體技術，2008，33（2）：137-139.