教学楼宇智能照明控制管理系统的设计

1、-. z.教学楼宇智能照明控制管理系统的设计作者：王靓朱瑞华来源：现代电子技术2015年第24期摘 要： 针对目前高校教学楼照明系统管理方式存在的用电浪费比较严重的现象，利用热释电红外装置和无线传输技术构建了从教室分区到整个教学楼的层次化智能照明控制管理系统。系统能够实现无人自动关灯，并能将每个教室的实时照明情况传输到教学楼总控制室，实现了远程监控、统一管理，有效降低了高校教学楼照明运行能耗。关键词： 教学楼照明； 智能控制； 节能； 照明控制系统中图： TN71034 文献标识码： A 文章编号： 1004373*（2015）24009703Design of intelligent lig

2、hting control system of teaching buildingWANG Liang1， ZHU Ruihua2（1. School of Software and Service Outsourcing， Qingdao Technical College， Qingdao 266555， China；2. Management mittee， Jiaonan Economic Development Zone， Qingdao 266555， China）Abstract： Aiming at the serious waste problem e*isting in i

3、lluminating system management of teaching building in college， the intelligent lighting hierarchical control system based on the pyroelectricity infrared devices and wireless transmission technology was constructed from the classrooms to the whole teaching building. The system has the automatic turn

4、off function， and can transmit the realtime lighting status of each classroom to the master control roomof the teaching building. It has implemented the remote monitoring and unified management， reduced the energy consumption of lighting system of college teaching building effectively.Keywords： teac

5、hing building lighting； intelligent control； energy saving； lighting control system随着教育事业的快速发展，高校已成为重要的用电大户1。高校作为年轻人集中学习的场所，照明用电的消耗在学校用电量中占很比例。目前各高校的教室照明还停留在人工控制状态，但由于教室数量多，每个教室的使用功能也各有不同，使得管理员无法对每个教室做到实时控制，经常出现教室亮灯却无人，光线充足也亮灯的现象，造成不必要的电力资源浪费2。因此，设计一种成本低，易于改造施工的教学楼智能照明控制管理系统，无疑是减少能源浪费，提高教学楼用电效率的重要措施

6、。1 系统结构设计系统包括分区感应控制单元、教室分控传输分机以及教学楼总控显示主机三个层次，三者呈逐步递进，构成整个教学楼的照明节能控制管理系统，系统结构框图如图1所示。在整个管理系统中每个教室有5个分区感应控制单元分别对教室进行分区域感应控制，每个分区感应控制单元将控制状态信息通过2.4 GHz的无线通信传输到教室分控传输分机，各个教室的分控传输分机通过两根总线的连接方式连接到教学楼总控显示主机，教学楼总控显示主机与各分控传输分机通过两根传输线采用脉冲发码的方式进行通信，同时提供给分控传输分机供电。图1 系统结构框图2 子系统结构设计2.1 分区感应控制单元教室节电控制采用分区控制的形式进行

7、改造，如图2所示，学生的位置平均划分为四个区域，讲台单独一个区域，每个区域屋顶上方放置一个分区感应模块。分区感应控制单元串联至原来灯具的回路，并采用市电转换而来的直流电源进行供电，减少了照明系统改造布线的麻烦。由于分区感应模块是串联至原照明回路的，原照明回路的开关并不移除，这样使得需要照明时可以由人手动打开开关，感应模块感应到人的存在则点亮响应区域的灯具；需要断电时则可以手动进行关闭，而当人离开忘记手动关灯时，系统则利用红外装置周期扫描人体信号，能够实现无人自动关灯自动断电，达到进一步节能的目的。图2 教室分区控制图分区感应单元结构如图3所示，采用热释电红外感应器及光敏电阻分别对周围环境的红外

8、源人员出入与光照变化进行感应，采集信号并进行数字化处理后送给单片机进行处理，单片机根据分析红外传感器和光传感器采集的信号做出照明电路的开启、关闭的判断从而控制照明电路的合理利用，达到节约能源的目的。图3 分区感应单元结构图热释电红外感应器感应到区域人体信号存在后，通过单片机处理控制继电器开启灯具并延时，由于热释电红外感应器只能感应出有相对移动的人体，所以在延时时间的确定非常关键，延时过短容易造成灯具的误关闭，延时过长容易造成资源浪费。通过实验测量，在区域只有一人的情况下，延时在7 min能够杜绝误关闭，区域两人的情况下，延时在5 min能够杜绝误关闭。因此，系统将延时时间设定在45 min，能

9、够保证教室人员全部离开后灯具继续点亮的时间不过长，并且在人员过于分散情况下，部分分区也会自动关灯，促使人员集中。该系统较好地解决了高校教室照明系统能耗大浪费多的问题，显著提高了电能的使用率。在单片机在选型上没有采用传统的8051单片机，因为放置在天花板的分区感应模块需要体积较小，重量比较轻，经过比较选用了STC15L204EA。STC15F204EA单片机是一款超低价A/D转换单片机单片机，1个时钟/机器周期，高速、高可靠，8路10位高速A/D转换，部高精度R/C时钟，功能够用，体积和价格是89C51的18左右，指令代码完全兼容8051单片机。在达到控制灯具继电器开启断电的同时，单片机通过2.

10、4 GHz无线收发模块将控制信号实时传输到教室分控传输分机上，以便于将分区控制状态汇总至总控模块。无限传输技术有WiFi， Bluetooth（蓝牙）和ZigBee，但是综合考虑了诸如工作距离，功能，功耗，延迟以及干扰和安全性等问题，基于NRF24L01的无限传输模块在成本，接收灵敏度，传输速率，上电时间和功率消耗之间做到了很好的平衡。基于NRF24L01的2.4 GHz无线收发模块，具有速率高、体积小、性能稳定、价格低的优点，工作频率围为2 40025 125 MHz，功率最大均能达到 20 dBm左右，传输距离在240 m以都能收到正确数据包，能够满足教室的信号传输的要求。2.2 教室分控

11、传输分机教室分控传输分机结构简单，系统结构见图4，通过基于NRF24L01的2.4 GHz无线收发模块完成本教室5个分区感应模块工作状态的收集，后通过单片机处理得到整个教室是否有灯具点亮的结果，最后将教室灯具的实时状态通过数据线传输到教学楼总控显示主机上。图4 教室分控传输分机结构图分机中的电压及脉冲码处理电路如图5所示，能够完成将主机传输的两线高电平为20 V的供电电压通过HT7136转变为分机单片机所需3.6 V电压，电路同时完成对主机发来的高低电平脉冲码的预处理。图5 分机电压及脉冲码处理电路2.3 教学楼总控显示主机教学楼总控显示主机由单片机、分机状态显示阵列、时钟电路、USB接口电路

12、及电源电路5个部分组成，结构如图6所示。电源电路将电源适配器供给的24 V直流电转换成为给单片机供电的4.5 V直流电压并给分机提供高电平为20 V低电平为7 V的直流电压。单片机接收由分机发来的各分机状态信息码，处理后点亮或熄灭相应的分机状态显示灯，管理人员可以通过分机状态显示灯阵列实时掌握整栋教学楼各个教室的灯具亮灭情况，出现特殊情况可予以及时处理。时钟电路及USB接口电路为附属功能电路，时钟电路包括时钟芯片SD2403API及时钟数码管FJS8402A两部分电路，单片机采集时钟芯片的时间输出到时钟数码管显示当前系统时间，而通过USB接口电路可以将分机状态传输到计算机，通过计算机服务界面实

13、时显示各分机状态。教学楼总控显示主机还具有巡检的功能，可以对分机发出巡检指令，逐一巡回检查各教室分机工作状态并返回状态值。图6 教学楼总控显示主机结构框图教学楼主机与教室分机之间采用所有分机并联至主机的两线连接方式，两线供电同时完成主机与各分机间通信的功能。由于采用分机并联方式，为了区别不同的分机，每个分机有惟一的识别码。主机与分机的通信方式采用了高低电平脉冲发码的方式进行，如图7所示，高电平为20 V，低电平为7 V。当不需要通信时，两线电压保持20 V不变，仅作为供电线；当需要通信时，会首先发送一个起始脉冲，起始脉冲的低电平宽度的不同代表不同的工作请求。起始脉冲过后就是要传输的码，图7中占

14、空比为14的周期代表0”码，占空比为34的周期代表1”码，通过占空比的不同就可以得到需要发送和接收的信息。这种两线脉冲通信方式大大减少了整体的布线量。图7 主机与分机通讯脉冲示意图3 结 语本文给出了教学楼照明节能整体控制管理系统方案，采用楼宇主机、教室分机及教室分区控制三层管控方式，达到了充分的节能管理。详细阐述了整个节电控制系统的构成、各部分控制电路的具体结构及器件选型，对主机与分机间的有限脉冲通信方式和分机与感应控制单元间的无线通信模式进行了重点阐述，对感应控制单元的工作原理及延时具体数据进行了分析。系统能够工作在手动开启、自动关闭模式，根据人员及光照度自动断电，层间基于2.4 GHz的

15、无线通信及两线脉冲通信模式减少了布线铺设，使工程的施工更加容易，达到国家所提倡的节能减排。同时，在器件选型上采用性价比高的工程用芯片，系统实现了方便使用和节能管理的有机协调，较好地解决了节能照明产品节电但不省钱”的问题，在实际使用中有效降低了学校教学楼照明运行费用，满足了方便、实用、节能、经济”的要求。安装方便运行成本低，实现对校园照明进行科学高效的控制，系统的设计方案为其他智能照明控制系统提供了参考与借鉴。参考文献1 肖春华，洪涛.基于GPRS与SMS技术教室LED节能系统J.国外电子测量技术，2014，33（5）：7579.2 智旸，华丽.教室照明节能控制系统的智能化和可视化设计J.智能计算机与应用，2014，4（2）：102105.3 立明，徐成波，林君.智能照明控制系统设计J.建筑工程学院学报，2014，31（2）：7476.4 壹，栩嘉，田焱，等.智能照明控制系统的设计J.电子设计工程，2012，20（4）：1