智能照明系统在节能改造中的应用

随着我国社会经济的迅速发展，国家和大众对高等教育越来越重视。据数据显示，我国高校建筑面积和招生人数都在逐年上涨，然而，随之产生的高校能耗问题对我国经济社会环境造成了不小的压力。高校属于能源消耗大户，因此对高校进行节能改造是当务之急。其中，照明系统需要消耗大量电能，因此，对于智能照明系统在高校节能改造的应用的研究具有重要的现实意义。

1  高校照明概况

教室是高校教学工作的主要场所，对光照要求较高，所以教室布置的灯具多，需要的照明时间长。教室照明用电量在高校总用电量中占有非常大的比例。

一般而言，高校对于教室采用开放式的管理模式，学生上课和自习基本上无固定的教室，经常出现人走灯不灭，无人也开灯等浪费现象。有些学生的节约意识不强，教室在白天光线很好的情况下，仍然打开照明灯，或者最后离开教室的学生不自觉关灯等等原因，时常导致各个教室白天和晚上都是灯火长明，造成了严重浪费用电的局面。

另外，高校大多采用的是荧光灯，属于低效光源，需要消耗大量能源。由此可见，高校照明系统节能改造的任务迫在眉睫。

2  智能化照明系统整体方案

2.1 选用新型 LED 灯具

照明灯是智能照明控制系统的被控对象，因此照明灯具的合理选择非常重要，也是教学楼照明系统节能改造的重要组成部分。LED 灯是目前应用范围最为广泛的节能环保灯。采用 LED 灯可以大大节约电能。在相同照度下，其耗电量仅为白炽灯的十分之一左右，荧光灯的二分之一左右。

2.2 采用智能照明控制系统

智能照明控制系统是以自动控制为主、手动控制为辅的照明系统。该系统是由红外传感器、光照传感器、控制电路、LED 灯具、控制开关等部件组成，其结构如图 1 所示。

在无人参与的情况下，照明系统能够自动实现LED 灯的开关和调光功能。该系统采用红外传感技术，将人体体温作为检测对象。当人进入其探测范围内，红外传感器将人体体温与室温的差值传递给信号采集电路，从而实现对控制对象的自动控制[2]。

另外，在控制电路中加入了光控门和自锁电路，当室内光线强度达到国家标准时，即使教室内有人或有人自行开灯也不予支持，这样可以避免白天室内光照强度达到国家标准的情况下，开灯上课或自习的严重浪费现象。教室内并非每个角落都需要同样的光照强度。

教室内照明应该分区控制，根据学生人数来调整照明，以保证当无人时灯自动熄灭，以避免无人时灯火长明。智能照明系统可以在保证照明质量的同时，使得照明时间更加有效合理，避免浪费现象。

2.3 系统功能模块的方案设计

本系统是基于单片机技术来实现照明系统的智能控制，其主要实现的功能有：自动判别教室内是否有人以及具体的人数；智能检测教室内的光线强弱；遇到特殊情况设计人工手动操作解决问题等等。

2.3.1 控制模块方案设计

控制器是智能照明控制系统的核心部分，由控制电路、驱动电路和照明专用自锁继电器组成。控制模块作用是对教室内的自然光照度和有没有人进行判断，以便合理控制教室内的照度。其通过热释电红外传感器判断教室有无人，同时接收光照强度检测电路的输出信号检测教室内自然光的强度来综合研判。如果自然光照度满足条件的话，则不打开照明灯；当自然光照度不满足条件且有人时，才自动打开照明灯。照明灯打开之后，照明控制系统会实时检测教室内自然光强度和是否有人。

该系统的主控制器选用 STC89C52 单片机，其运行功耗较小。STC89C52 具有 8 k 字节 Flash ，512 字节 RAM，其内部自带 4 k 字节 EEPROM 的存储空间，需要下载的时候只需使用串口即可。另外，其还具有 32 个 I/O 口，为系统的设计带来了很大的便利。

2.3.2 人员检测模块方案设计

系统采用热释红外传感器检测室内是否有人。热释红外传感器是利用红外线或超声波的原理，自动识别教室内是否有人，并给控制器发送信号，从而实现人来灯亮，人走灯灭的自动控制功能[3-4]。

热释红外传感器与 BISS0001 硬件连接示意图如图 2 所示。

BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的集成电路。如图 2 所示，热释传感器检测到由人发出的信号后，将其转化成对应的电压输送给BISS0001，再将得到的数字信号的高低电平输出给STC89C52 单片机。

2.3.3 光照强度检测模块方案设计

教室的光照强度用光敏传感器来检测。光敏传感器将光照强度转换为电流信号，再经过运算放大器转换为电压信号输出[5]。光照传感器应该分区域布置，在教室中间位置和内墙位置分别布置光照传感器来检测室内的自然光强度，窗户附近安装光照传感器来测量自然光照度。另外，LED 灯可根据不同光照传感器的输出信号来自动调节 LED 的亮度。

光敏传感器电路与 ADC0809 以及控制器接口相连接的示意图如图 3 所示。

根据光照度传感器的原理可知，光照强度信号可以被其检测并转化为相应的电压输出,进而由ADC0809 记录对应的电压值，转换为数字信号由D0-D7 口输出到 STC89C52。另外，在电源引脚处连接一个 0.1 μF 的电容滤波去耦，减少外部电路对芯片造成的影响。

3  智能照明系统在高校节能改造中的应用

以安徽省某高校为实例，将智能照明系统应用于学校教学楼的节能改造中。该校在校师生人数近 20 000 万人，有 A、B、C、D、E、F，6 栋教学楼。教室目前采用的是 40 W 的双管日光灯（实际耗电功率为 48 W）。按照全年工作 300 天，每天开灯16 小时，电费 0.6 元 / kWh 计算，全校每年教学楼照明电费约为 179.7 万元。国产电灯的使用寿命 3 000小时左右，每年需要更换灯管，每年全校教室照明运行费用合计约为 15.6 万元。由此可见，高校教室具有很大的节能改造空间。

（1）节电率。用功率为 18 W 的 LED 灯替代原先使用的 40 W 的双管日光灯。LED 灯的照明效果超过传统的日光灯，课桌桌面照度可达 300 lx。该高校所处地区，年平均阴天天数和多云天气加起来约200 天，全年工作天数约 300 天，故以全天 16 小时来计算，实际自动关灯率约为 33.3%，则经过节能改造后的节电率为公式（1）。

（1）

（2）经济效益。每间教室实施照明节能改造时，18 W 的 LED（实际耗电功率为 20 W 左右）灯管每支成本约为 100 元，需要 50 支，合计为 5 000元。电源板、控制电路板、光照传感器、红外传感器模块以及布线、开关盒合计约为 400 元左右，合计每间教室投入资金约 5 400 元。全校 260 间教室，以 LED 灯最低全寿命周期为 3 年进行估算，经济效益见表 1。

由表 1 可知，对教学楼照明系统进行改造后，以 LED 灯最少使用周期为 3 年进行计算，每三年可以节约照明开支费用为 323.7 万元。由此可见，在高校教室内采用智能照明系统，节能效果显著。

4  结语

在我国大多数高校中，教室普遍采用开放式的管理方式，造成了能源严重浪费的问题。与一般照明场所相比而言，高校教室灯光设计较为严格，没有智能化的照明控制系统，将浪费大量电能。本文以安徽某高校为例，对智能照明系统应用到高校照明系统中的节能效益进行了估算，计算结果表明节能效果显著。

因此，智能照明控制系统可以在其他高校中推广，这样不仅可以提高高校照明系统的管理水平，而且可以为学校节省大量的电费。