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教室光环境智能控制系统
设计者: 朱万朋, 张林泉, 李盈盈, 杜光磊, 赵灵强,
指导教师: 梁坤峰
( 河南科技大学车辆与动力工程学院制冷092班 邮编: 471003 )
摘要: 随着节能和环保要求的日益高涨, 校园内教室的电能浪费问题受到重视, 以智能化为手段的控制系统开始在教室光环境控制中得到应用。本作品建立教室光环境智能控制系统框架, 设计了教室内人员区域定位算法, 设置了光敏、 投影仪开启和手动控制信号的控制优先级, 搭建了简化的教室光环境智能控制系统实物模型, 并验证了控制系统的功能。智能控制系统以STC89C52单片机和红外热释电处理芯片BISS0001作为控制装置的核心部件, 经过光敏电阻电路检测环境的光强, 并给出了教室内开灯的光强阈值, 由热释电红外传感器模块检测人员的存在与位置; 作品经过对环境光强信号、 人体存在和位置信号的识别和智能判断, 完成对教室照明回路的智能控制, 实现教室内灯源的开关、 明暗和区域控制, 具有显著的节电效果和智能控制特点。
关键字 光环境; 红外感应; 定位; 智能控制; 节能减排

作品内容简介
1．研制背景及意义
随着能源危机的不断加深, 中国的能源问题越来越受到关注。国家统计局的初步统计数据表明, 中国能源消费总量比 增长7%。 中国能源消费总量34.8亿吨标准煤, 是四年来增幅最多的一年, 节能减排形势十分严峻。而中国节能灯普及率依然较低, 中小城市居民白炽灯的使用比例一般在50%以上, 农村使用白炽灯的比例更大。当前, 中国照明用电约占全社会用电总量的12%。随着经济发展和人民生活水平的提高, 中国的照明用电量还会进一步增加, 特别是中国以火力发电为主, 火电占全国发电总量的83.2%, 水电约占14.7%, 剩余的2.1%才是以核电, 太阳能, 风力电为主的新能源。
由于控制技术的飞速发展和广泛应用, 智能化已经成为当今时代发展的主流技术, 自动控制技术被越来越多的用到节能设备上。近几年中国教育事业得到了快速发展, 学校照明耗电越来越大, 电能浪费问题也随之日益严重。当前, 国内院校基本上采用的还是传统的手动、 光控和声控照明方法, 其节能减排、 抗干扰能力都很有限, 造成了电能的大量浪费。因此, 开发新的教室光环境智能控制系统, 实现省电、 节能减排目的, 具有重要的现实意义。
当前国内常见的照明控制系统
l、 Dynalite智能照明控制系统
该系统主要由调光模块、 开关模块、 控制面板、 液晶显示触摸屏、 智能传感器、 编程插口、 时钟管理器、 手持式编程器和PC监控机等部件组成。采用DyNet网络连接, DyNet是一个分布式智能化网络, 使用RS-485通讯协议。
2、 C-Bus智能照明控制系统
C-Bus系统是1994年由澳大利亚奇胜电气公司开发的, 现已广泛用于很多国家和地区。C—Bus系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统, 主要用于对照明系统的控制。也可用于消防等系统中的联动控制。
3、 ABB i-bus EIB智能安装系统
EIB智能系统由总线、 总线电源、 智能传感器(光线传感器、 模糊开关、 时间控制器、 移动传感器)、 智能开关驱动器和其它智能元件(逻辑模块总线耦合器)构成。它是典型的现场总线系统, 每个元件就是一个节点, 这些节点连接在一根2芯双绞线介质的总线上, 不分主从隶属关系实现相互之间的通讯从而实现控制和被控制。
现有的照明控制系统虽然产品和技术都相对已较成熟, 却多为针对普通建筑物如居民楼、 办公楼, 多采用定时控制、 场景控制或简单的传感器控制, 很难满足教室里人员多、 流通性强等特点, 因此有必要针对教室的特点, 研究相应的照明控制系统。本装置将控制对象具体定位为教室, 以细化照明控制的实施方案, 提出针对教室实现智能照明节能控制方案和实施方法。
2．设计方案

图1教室系统三维仿真

图2 设计方案图
本方案由信号采集、 信号处理、 控制器、 控制对象四部分组成。
设置信号采集模块, 采集由环境亮度传感模块、 红外感应模块、 投影仪和手动开关发出的信号, 将光敏信号、 人体红外信号、 投影仪和手动开关产生的中断信号送至信号处理模块。
设置信号处理模块, 处理信号由STC89C52芯片和红外热释电处理芯片BISS0001完成, 将光敏信号、 人体红外信号和中断请求处理为控制器能够识别的电平信号, 然后交给控制器。
设置控制器模块, 接受处理后的信号, 进而实现对各个不同的控制对象的控制。
设置红外计数器, 经过和红外采集模块配合, 在人员过于分散时, 强制只开中间区域的灯来使人员集中, 从而达到节能的目的。
2.1 控制算法
图3教室区域示意图
首先, 初始化后的系统会先判断是否有外界中断信号( 譬如投影仪和手动开关信号) , 若有信号, 则直接关事先设定区域的灯, 接着由环境亮度传感模块对室内亮度进行检测, ( 12月, 国家对中小学的教育装备标准进行调整, 建设部出台了《建筑照明设计标准》(B50034- ), 教室内日光灯的平均照度从150lx, 提高到300lx, 同时黑板的照度要达到5001x。综合考虑教室的环境和用途, 业界将教室同光灯的平均照度定位为300lx) 若亮度达到了设定的阀值, 则红外模块一直保持低电平输出, 保证教室内灯具一直处于关闭状态; 若亮度暗到设定阈值, ( 设定顶部电机为电机1, 下面电机为电机2) 则热释电红外模块开始工作, 由步进电机带动旋转式热释电红外探测模块工作, 首先对教室的整个区域1进行扫描, 若有人体红外信号, 则直接打开6区域的灯, 此时经过步进电机2的旋转对教室区域2、 3进行探测, 若某区域由人体信号则对此区域进行开灯; 若没有人体信号则电机2回到初始状态, 电机1旋转90°, 经过电机2的再一次旋转对教室4、 5区 域进行探测, 若某区域有人体信号, 则此区域开灯; 若没有人体信号, 则系统结束探测, 进入初始化。

图4 教室区域划分实物

2.2 系统设计
本系统是一种基于STC89C52单片机和红外热释电处理芯片BISS0001来控制教室灯具开关以及发光时间的自动化控制装置; 共分为三个部分: 电器部分、 机械部分和软件部分。三个部分之间相互配合来达到减少光照污染, 降低电能损耗, 减少碳排放和降低管理成本的效果。以下为各部分的简要介绍:
2.2.1 电器部分
控制器采用STC89C52单片机和热释电红外探测模块, 对教室进行信号的采集和灯光控制。单片机负责精确控制电机的旋转角度,进而达到对教室不同区域的探测覆盖, 信号由环境亮度传感模块(由LM393、 光敏电阻构成, 光照灵敏度可精调, 输出开关量)和被动式热释电红外传感器模块采集, 当光敏电阻感光时, 经过LM393中的2、 3口输入进行比较输出一个高地电平信号, 由2口的输入电流大小变化来实现灯光亮度的调节, 而热释电红外模块经过高低电平的变化老实现各个区域灯光的开关控制。

图5光亮度调节原理图

图6热释电红外探测模块电路图及实物

图7单片机驱动模块电路图及实物

2.2.2机械部分
机械部分: 由STC89C52控制的两个步进电机提供整个机构所需的动力, 固定于装置顶部的电机提供360度的旋转, 装置下部的电机能够满足探头旋转所需要的角度。考虑到了传动时各机构之间的干扰和配合问题, 经过调试和改进保证装置运转可靠灵活。

图8步进电机图( 24BYJ48) 图9旋转机构三维仿真图 图10旋转机构实物
2.2.3软件部分
软件采用模块化设计思想, 以主程序为核心设置了多个功能模块子程序, 使大量的功能在子程序中实现, 简化了设计结构。运行过程中经过主程序调用各功能模块子程序。
该系统有三个功能模块: 信号输入模块, 实现相应信号从单片机输入; 信号控制模块, 实现对信号的处理; 信号输出模块, 实现处理结果的编码输出, 达到控制LED发光亮度的目的。
单片机接收两部分信号, 即环境亮度传感模块输出的室内亮度控制信号和被动式热释电红外探测器输出的开关信号, 传输到单片机中。经过单片机处理, 输出编码信号, 经过A/D转换和放大电路来实现智能照明。
系统流程图如图11.

图11 程序流程图
3．创新点及应用
1) 设置了旋转机构, 使被动式热释电红外探头既能探测运动的人体红外信号, 也能探测静止的人体红外信号。
2) 对教室进行区域化控制, 既提高了照明控制的智能化程度, 又实现了减低电能消耗的目的
3) 设置了亮度调节模式, 能够满足在不同天气条件下对灯光照度的需求。
4) 机构本身不发任何类型的辐射, 器件功耗很小, 隐蔽性好, 价格低廉。
5) 可应用于各级教育教学机构以及特点相似的场合。
4．节能计算
4.1未进行节能控制时能耗计算( 以河南科技大学8#101为例)
一个教室的灯的总功率功率是p=700W, 在没有亮度调节的情况下, 每天开启16个小时计算, 每天消耗的电能为
W1=p×t1=11.2 kwh.
每个教室每年消耗的电能为
W2= ∑ p × t =4088kwh
按每度电A=0.55元计算, 每个教室一年耗电量折合人民币为
¥=W2×A =2248.4元
假设我校西苑校区教室数量为100间( 折合为101教室同等大小) , 每年教室耗电量折合为人民币为
¥=W2×A×N= 22.4万元
4.2进行节能控制时能耗计算
在经过实际调查, 在正常条件下, 夏季光线能够满足教室光线要求的时间点为八点到下午五点, 也即在安装此系统的情况下, 一天开灯的时间折算为六个钟头。
按照上述时间求出一间教室在采用教室环境智能节能控制系统以后能耗为
W3 = p×t2 = 4.2kwh
经过如上的计算步骤后可得:
每间教室夏季节省的电量为683.75kwh
夏季消耗电量折合人民币为 210.8元
夏季节省电量折合人民币为351.3元
在正常条件下, 冬季光线能够满足教室光线要求的时间点为十点到下午四点, 也即在安装此系统的情况下, 一天开灯的时间折算为10个钟头。
按照上述时间求出一间教室在采用教室环境智能节能控制系统以后能耗为
W4 = p×t3 = 7kwh
经过如上的计算步骤后可得:
每间教室冬季节省的电量为383.25 kwh
冬季消耗电量折合人民币为351.3元
冬季节省电量折合人民币为210.8元
在正常条件下, 春( 秋) 季光线能够满足教室光线要求的时间点为九点到下午四点, 也即在安装此系统的情况下, 一天开灯的时间折算为8个钟头。
按照上述时间求出一间教室在采用教室环境智能节能控制系统以后能耗为

W5= p×t3 = 5.6kwh
经过如上的计算步骤后可得:
每间教室春( 秋) 季节省的电量为498.4 kwh
春( 秋) 季消耗电量折合人民币为274..12元
春( 秋) 季节省电量折合人民币为274.12元
每年采用教室光环境智能控制系统后100间教室可产生电费为
¥=¥1+¥3+¥5×2= 11.1万元
每年采用教室光环境智控制系统后100间教室可节省电费为
¥=¥2+¥4+¥6×2= 11.1万元
4.3节能分析
三个柱状图分别是为节能控制之前我校100间教室的所消耗的电费、 节能控制之后教室的所消耗的电费、 节能控制之后的省下的电费。

图12电费柱状图

参考文献

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