安科瑞 繆凱倫
摘要：針對(duì)室內(nèi)不同區(qū)域?qū)τ诠庹諒?qiáng)度的不同要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用STM32作為控制器的教室智能照明控制系統(tǒng)，能夠依據(jù)室內(nèi)照明強(qiáng)度以及室內(nèi)人員分布情況對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整。結(jié)果表明，該系統(tǒng)既可以保證教室內(nèi)的光照強(qiáng)度充足，又不會(huì)造成電力浪費(fèi)。
關(guān)鍵詞：教室智能照明控制系統(tǒng)；照明節(jié)能
0. 引言
在學(xué)校的每個(gè)教室里，照明設(shè)備都是*的。然而，有時(shí)會(huì)見(jiàn)到某個(gè)空無(wú)一人的教室燈火通明，或者在白天室外陽(yáng)光強(qiáng)烈，無(wú)需開(kāi)燈的情況下，教室里的燈卻開(kāi)著。這些情況都造成了很大的浪費(fèi)。因此，教室智能照明控制系統(tǒng)要能夠依據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度以及室內(nèi)人員分布情況對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整，既使得教室內(nèi)的光照強(qiáng)度充足，又不會(huì)造成電力浪費(fèi)。
1. 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
教室智能照明控制系統(tǒng)一般包括室內(nèi)環(huán)境信息采集模塊、核心控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路以及LED燈。系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。其中室內(nèi)環(huán)境信息釆集模塊負(fù)責(zé)把系統(tǒng)需要輸入信息，也即教室內(nèi)的光照強(qiáng)度以及教室內(nèi)人員分布情況傳輸給以STM32芯片為核心的控制模塊。控制模塊再依據(jù)接收到的信息，將輸入的信息轉(zhuǎn)換成教室內(nèi)各區(qū)域所需的亮度值,從而得到各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元所需的控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)模塊依據(jù)控制器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)控制教室內(nèi)各照明區(qū)域的LED燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)智能的、實(shí)時(shí)的調(diào)光。
2. 硬件設(shè)計(jì)
2.1信息采集模塊設(shè)計(jì)
2.1.1室內(nèi)光照強(qiáng)度采集
為了實(shí)時(shí)釆集教室內(nèi)部光照強(qiáng)度，按照距離窗口的遠(yuǎn)近把教室分為六個(gè)區(qū)域，如圖2所示。每個(gè)區(qū)域均安裝一個(gè)照度傳感器，對(duì)該區(qū)域的光照強(qiáng)度進(jìn)行釆集。并將釆集到的光照強(qiáng)度信息傳遞給控制模塊進(jìn)行后續(xù)處理。當(dāng)照度傳感器探測(cè)到自然光照度充分時(shí)，則會(huì)關(guān)閉照明設(shè)備，反之則開(kāi)啟照明設(shè)備。
2.1.2室內(nèi)人員分布情況釆集
室內(nèi)人員分布情況采集的方案有很多，比較常用方法有兩個(gè)，一是利用人體紅外傳感器進(jìn)行釆集，二是利用視頻監(jiān)控進(jìn)行釆集。一種方法的優(yōu)勢(shì)在于人體紅外傳感器價(jià)格低廉，信號(hào)處理簡(jiǎn)單。然而，缺點(diǎn)也很明顯，人體紅外傳感器不容易實(shí)現(xiàn)人員的準(zhǔn)確定位，不能獲取到教室內(nèi)人員的具體位置信息，而且人體紅外傳感器受環(huán)境溫度影響較大，容易出現(xiàn)感應(yīng)不靈敏的現(xiàn)象。二種方法的優(yōu)勢(shì)在于，視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)人員準(zhǔn)確定位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)人員分布情況，但是該方法成本太高，后續(xù)信息分析和處理比較復(fù)雜。
因此本系統(tǒng)不釆用上述兩種常用方法，而是利用在教室內(nèi)每個(gè)座椅上安裝紅外探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)人員分布情況監(jiān)測(cè)。當(dāng)有人坐在座位上時(shí)，紅外探測(cè)器發(fā)出信號(hào)，并傳輸給控制單元?？刂茊卧梢砸罁?jù)每個(gè)座位釆集到的信息，判斷該座位上是否有人，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的，準(zhǔn)確的獲取人員在教室內(nèi)的分布情況。
2.2控制模塊設(shè)計(jì)
在教室智能照明控制系統(tǒng)中，控制模塊是核心模塊，一方面可以接收信息釆集單元收集到的相關(guān)信息，例如光照傳感器釆集到的室內(nèi)光照信息和紅外傳感器釆集到的室內(nèi)人員分布 信息。另一方面，控制單元可以把這些釆集到的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸岀調(diào)光控制指令，并傳輸給驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊就可以對(duì)教室內(nèi)各區(qū)域照明設(shè)備的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)了。
普通教室按照?qǐng)D2劃分為6個(gè)不同的照明區(qū)域，因此需要 控制器能夠同時(shí)連接6個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，并能夠輸出6路調(diào)光信號(hào)，分別控制教室內(nèi)每個(gè)區(qū)域的照明設(shè)備的亮度。本系統(tǒng)釆用了STM32F103ZET6作為控制的核心芯片，該芯片能夠輸出多路PWM信號(hào)而且功耗較低。
2.3驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
STM32芯片不能對(duì)LED燈進(jìn)行直接控制，因此本系統(tǒng)選擇DRIVE-SW12的LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)模塊可以將控制模塊輸出的調(diào)光控制信號(hào)，也即PWM 占空比，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓值,從而達(dá)到調(diào)光所需的亮度值，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。
3. 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體控制流程首先是各模塊的初始化，其次獲取室內(nèi)光照強(qiáng)度和人員分布情況信息，然后依據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)居住建筑的照明標(biāo)準(zhǔn)的要求,計(jì)算出教室各區(qū)域還需要調(diào)整的光照強(qiáng)度值，把需要調(diào)整的光照值轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)輸出，從而依據(jù)控制信號(hào)對(duì)教室各區(qū)域LED的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，延時(shí)一段時(shí)間后再次依據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度和人員分布情況
對(duì)各區(qū)域LED燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。其詳細(xì)流程圖如圖3室內(nèi)人員分布情況對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。
4.安科瑞為教室智能照明控制系統(tǒng)提供方案
4.1安科瑞智能照明監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即站控層，通訊層與間隔層； 如圖（1）所示：
圖（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
間隔設(shè)備層主要為：開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，這些裝置分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)KNX總線組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集。
網(wǎng)絡(luò)通訊層主要為：智能照明網(wǎng)關(guān)，其主要功能為把分散在現(xiàn)場(chǎng)采集裝置集中控制，同時(shí)遠(yuǎn)傳至站控層，完成現(xiàn)場(chǎng)層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。
站控管理層：設(shè)有高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、UPS電源、打印機(jī)等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)上，集中采集顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，以人機(jī)交互的形式顯示給用戶。 以上開(kāi)關(guān)模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡(jiǎn)單方便，傳輸距離可達(dá)1.2km。
4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成
1. 定時(shí)控制
通過(guò)時(shí)鐘管理器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)區(qū)域照明的定時(shí)和自動(dòng)管理功能，實(shí)現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫(kù)照明定時(shí)控制。如百葉窗定時(shí)升降、集中供熱定時(shí)調(diào)節(jié)、節(jié)假日照明定時(shí)關(guān)閉、定時(shí)通知等。
2. 場(chǎng)景控制
智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)部門的需求，設(shè)定不同種類的場(chǎng)景模式，進(jìn)行各種照明燈光的組合，達(dá)到美化工作環(huán)境的效果；結(jié)合人體感應(yīng)傳感器，當(dāng)人員離開(kāi)時(shí)，關(guān)閉所有該會(huì)議室照明。
3. 實(shí)時(shí)監(jiān)控
控制室，配置一臺(tái)中控主機(jī)，所有照明控制設(shè)備，通過(guò)KNX網(wǎng)關(guān)，接入監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員，可以通過(guò)中控電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài)，并可根據(jù)需求進(jìn)行控制調(diào)整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁(yè)面，圖形頁(yè)面縮放方便，切換簡(jiǎn)單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對(duì)象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。
4. 報(bào)警處理
系統(tǒng)提供了警報(bào)處理能力，用戶可采用編程來(lái)完成不同的任務(wù)，當(dāng)某種警報(bào)條件出現(xiàn)時(shí)應(yīng)做什么，可由用戶自行確定。
5.事件通報(bào) 系統(tǒng)提供了事件通報(bào)功能，支持郵件通報(bào)、文本輸出以及事件驅(qū)動(dòng)打印，可按照用戶預(yù)先設(shè)置的條件，觸發(fā)事件通報(bào)功能。
4.3設(shè)備選型
教室不同區(qū)域?qū)τ诠庹諒?qiáng)度有不同的要求，據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)教室智能照明控制系統(tǒng),能夠依據(jù)室內(nèi)照明強(qiáng)度以及強(qiáng)度和人員分布情況信息，然后依據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 中對(duì)居住建筑的照明標(biāo)準(zhǔn)的要求,計(jì)算出教室各區(qū)域還需要調(diào)整的光照強(qiáng)度值，把需要調(diào)整的光照值轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)輸出，從而依據(jù)控制信號(hào)對(duì)教室各區(qū)域LED的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整， 延時(shí)一段時(shí)間后再次依據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度和人員分布情況對(duì)各區(qū)域LED燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。其詳細(xì)流程圖如圖3 室內(nèi)人員分布情況對(duì)教室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。
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