高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)探討

來永斌+張開宇+舒俊峰+陳靜+陳秀

摘 要：針對(duì)高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費(fèi)多的問題，利用紅外裝置和人臉識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)。系統(tǒng)將教室分為幾個(gè)區(qū)域，利用紅外裝置周期掃描人體信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人自動(dòng)關(guān)燈，并且在人員過于分散情況下，部分分區(qū)也會(huì)自動(dòng)關(guān)燈，促使人員集中。該系統(tǒng)較好地解決了高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費(fèi)多的問題，顯著提高了電能的使用率。

關(guān)鍵詞：紅外裝置 ?人臉識(shí)別 ?分區(qū) ?節(jié)能 ?照明

中圖分類號(hào)：G64 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（b）-0107-02

Discussion on Energy Saving Lighting System in University Classroom

Lai Yongbin1 Zhang Kaiyu1 Shu Junfeng1 Chen Jing1 Chen Xiu2

（1.Mechanical Engineering College of Anhui University Of Science And Technology;2.College of chemical engineering， Anhui University Of Science And Technology，Huainan Anhui 232001，China）

Abstract：Aiming at the much waste of university classroom lighting system， a set of classroom lighting energy saving system was designed using infrared detection device and face recognition system. Classroom was divided into several regions. By scanning the signal of human body with ? infrared device periodically， the lights in the unmanned regions can be turned off automatically. And if students are too scattered， lights in some regions will also be turned off automatically to assemble the people. This system solved the problem of the much waste of university classroom lighting system and increased energy usage ratio significantly.

Key Words：Infrared Detection Device;Face Recognition System;Partitions;Energy Saring;Lighting

由過度消耗化石燃料所導(dǎo)致的全球變暖引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。而全球變暖又給社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來嚴(yán)重?fù)p失，深刻觸及到能源安全、生態(tài)安全、水資源安全和糧食安全，甚至威脅到人類的生存。我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)能源生產(chǎn)和消費(fèi)需求的迅速增長。目前，我國溫室氣體排放總量已居世界第二位。研究表明，我國的能源系統(tǒng)效率為33.4%，比國際先進(jìn)水平低10個(gè)百分點(diǎn)，電力、鋼鐵、有色、石化、建材、化工、輕工、紡織8個(gè)行業(yè)主要產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進(jìn)水平高40%，機(jī)動(dòng)車油耗水平比歐洲高25%，比日本高20%，單位建筑面積采暖能耗相當(dāng)于氣侯條件相近發(fā)達(dá)國家的2～3倍。因此我國發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，從多領(lǐng)域多方位進(jìn)行節(jié)能減排，迫在眉睫。

電能的節(jié)約也是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)進(jìn)行節(jié)能減排一個(gè)重要環(huán)節(jié)，雖然智能照明控制系統(tǒng)已被應(yīng)用到酒店、賓館、廣場、銀行等場所，并且取得了良好的使用效果與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，但長期以來，如何將智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用到學(xué)校中卻沒有比較理想的方案。

1 傳統(tǒng)照明控制方式的局限性

目前，常用的對(duì)人體信號(hào)進(jìn)行檢測來實(shí)現(xiàn)教室照明燈開關(guān)控制的方案主要有兩種。一種是將教室作為一個(gè)整體，在教室門口安裝紅外熱釋電傳感器統(tǒng)計(jì)進(jìn)出教室的人數(shù)，同時(shí)通過室內(nèi)安裝的光敏傳感器檢測光強(qiáng)，根據(jù)進(jìn)入教室的人數(shù)打開相應(yīng)數(shù)量的燈。這種方案成本低、設(shè)計(jì)方便，但檢測精度低，當(dāng)教室門口出現(xiàn)人群擁擠或人流不斷的情況時(shí)就難以正常計(jì)數(shù)，并且這種方法控制過于簡單，節(jié)能效果也不好。另一種方案是將教室分為幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)內(nèi)裝一個(gè)人體存在探測器，探測區(qū)域內(nèi)是否有人，當(dāng)光強(qiáng)不足時(shí)，探測到哪個(gè)區(qū)域有人就打開哪個(gè)區(qū)域的燈，同時(shí)其他區(qū)域不受影響。這種方案效果較好，但設(shè)計(jì)中控制方法不夠完善，當(dāng)人員分布較為分散時(shí)，會(huì)打開過多的燈，引起不必要的浪費(fèi)，不能達(dá)到理想的節(jié)能效果。該文所提出的高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)是針對(duì)第二種方案加入人臉識(shí)別系統(tǒng)而改進(jìn)的。

2 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 紅外傳感器

一般來說，我們可以認(rèn)為任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外傳感器正是利用物質(zhì)本身這一性能而制成。紅外傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。紅外傳感器測量時(shí)不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。endprint

2.2 人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別是一項(xiàng)新興的生物識(shí)別技術(shù)，它廣泛采用區(qū)域特征分析算法，融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征，通過生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的人臉識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟。

對(duì)于高校來講，在教室監(jiān)控系統(tǒng)總機(jī)中加裝人臉識(shí)別系統(tǒng)，僅是安裝軟件一項(xiàng)簡單的工作，并不復(fù)雜。利用人臉識(shí)別軟件實(shí)時(shí)檢測教室中人數(shù)，通過總線控制，決定保留那些區(qū)域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現(xiàn)人臉識(shí)別軟件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)情況監(jiān)督的同時(shí)，可以完成自動(dòng)化考勤，更能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源的節(jié)約。

2.3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)

如圖1所示，根據(jù)紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區(qū)域，紅外裝置與每一區(qū)域上用電器串聯(lián)。教室開放時(shí)，若某區(qū)域內(nèi)有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯(lián)該區(qū)域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時(shí)，則自動(dòng)斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態(tài)，并按照設(shè)置時(shí)間進(jìn)行周期檢測掃描。

當(dāng)教室中人員分布較為分散時(shí)，紅外控制器檢測到人員存在就會(huì)使所控?zé)艟吖ぷ鳎稚⒎植嫉膸讉€(gè)人就可能導(dǎo)致教室內(nèi)大部分燈具工作。在加裝人臉識(shí)別軟件后，主機(jī)附帶的人臉識(shí)別軟件可以檢測到教室中人員數(shù)目，按照設(shè)定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區(qū)域燈具熄滅，達(dá)到人員集中的目的。

3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺(tái)上方8支，開放時(shí)間按一周7日，每天16 h。此外調(diào)查結(jié)果顯示，大學(xué)生中主動(dòng)踐行節(jié)能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節(jié)能減排的占83.1%，了解節(jié)能減排但是生活中不主動(dòng)踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態(tài)的可能性約為50%。所有燈具平均工作時(shí)間達(dá)到10 h以上，將消耗功率會(huì)超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關(guān)由紅外控制器控制，講臺(tái)上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環(huán)境需要條件下工作，平均每天5 h。學(xué)生數(shù)量不足以將整個(gè)教室坐滿，燈具也就不會(huì)全部工作，每支燈具每天平均工作時(shí)間可縮短至7 h，一間教室一周可節(jié)約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關(guān)只需要將教室分為眾多區(qū)域，按常規(guī)紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區(qū)域，安裝費(fèi)用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節(jié)約，可見高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果明顯。

4 結(jié)語

該文從低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的角度對(duì)高校教室照明系統(tǒng)進(jìn)行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室照明系統(tǒng)的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費(fèi)多的問題，顯著提高了電能的使用率，節(jié)約了電力資源。

參考文獻(xiàn)

[1] 付允，馬永歡，劉怡君，等.低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式研究[J].中國人口資源與環(huán)境，2010，18（3）：14-19.

[2] 陳九江，吳桐，王術(shù)，等.教室照明系統(tǒng)的智能控制[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（3）：314-316.

[3] 邢繼俊，趙剛.中國要大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)[J].中國科技論壇，2007（10）：87-92.

[4] 汪魯才.戴瑜興學(xué)校圖書館節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2001，12 （1）：48-50.

[5] 周瑤.高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.endprint

2.2 人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別是一項(xiàng)新興的生物識(shí)別技術(shù)，它廣泛采用區(qū)域特征分析算法，融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征，通過生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)有的人臉識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟。

對(duì)于高校來講，在教室監(jiān)控系統(tǒng)總機(jī)中加裝人臉識(shí)別系統(tǒng)，僅是安裝軟件一項(xiàng)簡單的工作，并不復(fù)雜。利用人臉識(shí)別軟件實(shí)時(shí)檢測教室中人數(shù)，通過總線控制，決定保留那些區(qū)域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現(xiàn)人臉識(shí)別軟件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)情況監(jiān)督的同時(shí)，可以完成自動(dòng)化考勤，更能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源的節(jié)約。

2.3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)

如圖1所示，根據(jù)紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區(qū)域，紅外裝置與每一區(qū)域上用電器串聯(lián)。教室開放時(shí)，若某區(qū)域內(nèi)有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯(lián)該區(qū)域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時(shí)，則自動(dòng)斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態(tài)，并按照設(shè)置時(shí)間進(jìn)行周期檢測掃描。

當(dāng)教室中人員分布較為分散時(shí)，紅外控制器檢測到人員存在就會(huì)使所控?zé)艟吖ぷ鳎稚⒎植嫉膸讉€(gè)人就可能導(dǎo)致教室內(nèi)大部分燈具工作。在加裝人臉識(shí)別軟件后，主機(jī)附帶的人臉識(shí)別軟件可以檢測到教室中人員數(shù)目，按照設(shè)定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區(qū)域燈具熄滅，達(dá)到人員集中的目的。

3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺(tái)上方8支，開放時(shí)間按一周7日，每天16 h。此外調(diào)查結(jié)果顯示，大學(xué)生中主動(dòng)踐行節(jié)能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節(jié)能減排的占83.1%，了解節(jié)能減排但是生活中不主動(dòng)踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態(tài)的可能性約為50%。所有燈具平均工作時(shí)間達(dá)到10 h以上，將消耗功率會(huì)超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關(guān)由紅外控制器控制，講臺(tái)上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環(huán)境需要條件下工作，平均每天5 h。學(xué)生數(shù)量不足以將整個(gè)教室坐滿，燈具也就不會(huì)全部工作，每支燈具每天平均工作時(shí)間可縮短至7 h，一間教室一周可節(jié)約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關(guān)只需要將教室分為眾多區(qū)域，按常規(guī)紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區(qū)域，安裝費(fèi)用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節(jié)約，可見高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果明顯。

4 結(jié)語

該文從低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的角度對(duì)高校教室照明系統(tǒng)進(jìn)行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室照明系統(tǒng)的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費(fèi)多的問題，顯著提高了電能的使用率，節(jié)約了電力資源。

參考文獻(xiàn)

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[3] 邢繼俊，趙剛.中國要大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)[J].中國科技論壇，2007（10）：87-92.

[4] 汪魯才.戴瑜興學(xué)校圖書館節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2001，12 （1）：48-50.

[5] 周瑤.高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.endprint

2.2 人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別是一項(xiàng)新興的生物識(shí)別技術(shù)，它廣泛采用區(qū)域特征分析算法，融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征，通過生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有的人臉識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟。

對(duì)于高校來講，在教室監(jiān)控系統(tǒng)總機(jī)中加裝人臉識(shí)別系統(tǒng)，僅是安裝軟件一項(xiàng)簡單的工作，并不復(fù)雜。利用人臉識(shí)別軟件實(shí)時(shí)檢測教室中人數(shù)，通過總線控制，決定保留那些區(qū)域紅外控制器工作，可以使人員集中。另外，利用現(xiàn)人臉識(shí)別軟件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)情況監(jiān)督的同時(shí)，可以完成自動(dòng)化考勤，更能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源的節(jié)約。

2.3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)

如圖1所示，根據(jù)紅外裝置檢測能力將教室合理分為若干區(qū)域，紅外裝置與每一區(qū)域上用電器串聯(lián)。教室開放時(shí)，若某區(qū)域內(nèi)有人在，紅外控制器將開始工作，使串聯(lián)該區(qū)域的電器通電工作，在檢測不到人的存在時(shí)，則自動(dòng)斷電。在教室供電情況下，控制器即可保持工作狀態(tài)，并按照設(shè)置時(shí)間進(jìn)行周期檢測掃描。

當(dāng)教室中人員分布較為分散時(shí)，紅外控制器檢測到人員存在就會(huì)使所控?zé)艟吖ぷ?，分散分布的幾個(gè)人就可能導(dǎo)致教室內(nèi)大部分燈具工作。在加裝人臉識(shí)別軟件后，主機(jī)附帶的人臉識(shí)別軟件可以檢測到教室中人員數(shù)目，按照設(shè)定程序，保留其中一部分紅外控制器工作，使得其他區(qū)域燈具熄滅，達(dá)到人員集中的目的。

3 高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果

一般情況，高校的一間大型教室，裝有40 W燈具108支，其中講臺(tái)上方8支，開放時(shí)間按一周7日，每天16 h。此外調(diào)查結(jié)果顯示，大學(xué)生中主動(dòng)踐行節(jié)能減排生活方式的只占8.1%，而在日常生活中不太考慮自己的行為是否節(jié)能減排的占83.1%，了解節(jié)能減排但是生活中不主動(dòng)踐行的占8.8%。白天依然保持燈具工作狀態(tài)的可能性約為50%。所有燈具平均工作時(shí)間達(dá)到10 h以上，將消耗功率會(huì)超過30萬 W。相同情況下，燈具的開關(guān)由紅外控制器控制，講臺(tái)上的燈具工作僅僅為晚上或陰天有課等較暗環(huán)境需要條件下工作，平均每天5 h。學(xué)生數(shù)量不足以將整個(gè)教室坐滿，燈具也就不會(huì)全部工作，每支燈具每天平均工作時(shí)間可縮短至7 h，一間教室一周可節(jié)約電量至少10萬W。而安裝紅外控制開關(guān)只需要將教室分為眾多區(qū)域，按常規(guī)紅外控制器探測角120 °，探測有效半徑4 m將教室劃分成16區(qū)域，安裝費(fèi)用不超過500元。微小的投入，就能帶來巨大的節(jié)約，可見高校教室照明節(jié)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效果明顯。

4 結(jié)語

該文從低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的角度對(duì)高校教室照明系統(tǒng)進(jìn)行了一次有益的嘗試研究。將紅外裝置和人臉識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室照明系統(tǒng)的智能控制，有效地解決了高校教室照明系統(tǒng)能耗大浪費(fèi)多的問題，顯著提高了電能的使用率，節(jié)約了電力資源。

參考文獻(xiàn)

[1] 付允，馬永歡，劉怡君，等.低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式研究[J].中國人口資源與環(huán)境，2010，18（3）：14-19.

[2] 陳九江，吳桐，王術(shù)，等.教室照明系統(tǒng)的智能控制[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23（3）：314-316.

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[5] 周瑤.高校教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

[6] 陳永甫.紅外探測與控制電路[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[7] 西剎子.智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)詳解與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.endprint