安科瑞 繆凱倫

摘要：針對室內不同區(qū)域對于光照強度的不同要求，設計了一個利用STM32作為控制器的教室智能照明控制系統(tǒng)，能夠依據(jù)室內照明強度以及室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態(tài)的調整。結果表明，該系統(tǒng)既可以保證教室內的光照強度充足，又不會造成電力浪費。

關鍵詞：教室智能照明控制系統(tǒng)；照明節(jié)能

0. 引言

在學校的每個教室里，照明設備都是*的。然而，有時會見到某個空無一人的教室燈火通明，或者在白天室外陽光強烈，無需開燈的情況下，教室里的燈卻開著。這些情況都造成了很大的浪費。因此，教室智能照明控制系統(tǒng)要能夠依據(jù)室內光照強度以及室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態(tài)的調整，既使得教室內的光照強度充足，又不會造成電力浪費。

1. 系統(tǒng)的總體設計

教室智能照明控制系統(tǒng)一般包括室內環(huán)境信息采集模塊、核心控制模塊、驅動電路以及LED燈。系統(tǒng)總體機構圖如圖1所示。其中室內環(huán)境信息釆集模塊負責把系統(tǒng)需要輸入信息，也即教室內的光照強度以及教室內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，將輸入的信息轉換成教室內各區(qū)域所需的亮度值,從而得到各個驅動單元所需的控制信號。驅動模塊依據(jù)控制器發(fā)來的控制信號控制教室內各照明區(qū)域的LED燈的亮度，從而實現(xiàn)智能的、實時的調光。

2. 硬件設計

2.1信息采集模塊設計

2.1.1室內光照強度采集

為了實時釆集教室內部光照強度，按照距離窗口的遠近把教室分為六個區(qū)域，如圖2所示。每個區(qū)域均安裝一個照度傳感器，對該區(qū)域的光照強度進行釆集。并將釆集到的光照強度信息傳遞給控制模塊進行后續(xù)處理。當照度傳感器探測到自然光照度充分時，則會關閉照明設備，反之則開啟照明設備。

2.1.2室內人員分布情況釆集

室內人員分布情況采集的方案有很多，比較常用方法有兩個，一是利用人體紅外傳感器進行釆集，二是利用視頻監(jiān)控進行釆集。一種方法的優(yōu)勢在于人體紅外傳感器價格低廉，信號處理簡單。然而，缺點也很明顯，人體紅外傳感器不容易實現(xiàn)人員的準確定位，不能獲取到教室內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)感應不靈敏的現(xiàn)象。二種方法的優(yōu)勢在于，視頻監(jiān)控可以實現(xiàn)人員準確定位，實時監(jiān)測教室內人員分布情況，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，而是利用在教室內每個座椅上安裝紅外探測器來實現(xiàn)人員分布情況監(jiān)測。當有人坐在座位上時，紅外探測器發(fā)出信號，并傳輸給控制單元?？刂茊卧梢砸罁?jù)每個座位釆集到的信息，判斷該座位上是否有人，實現(xiàn)實時的，準確的獲取人員在教室內的分布情況。

2.2控制模塊設計

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信息，例如光照傳感器釆集到的室內光照信息和紅外傳感器釆集到的室內人員分布 信息。另一方面，控制單元可以把這些釆集到的信息進行相應的處理，輸岀調光控制指令，并傳輸給驅動模塊。驅動模塊就可以對教室內各區(qū)域照明設備的亮度進行調節(jié)了。

普通教室按照圖2劃分為6個不同的照明區(qū)域，因此需要 控制器能夠同時連接6個驅動模塊，并能夠輸出6路調光信號，分別控制教室內每個區(qū)域的照明設備的亮度。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信號而且功耗較低。

2.3驅動模塊設計

STM32芯片不能對LED燈進行直接控制，因此本系統(tǒng)選擇DRIVE-SW12的LED恒流驅動模塊對LED燈進行驅動。該驅動模塊可以將控制模塊輸出的調光控制信號，也即PWM 占空比，轉化為相應的電壓值,從而達到調光所需的亮度值，從而實現(xiàn)調光的目的。

3. 軟件設計

系統(tǒng)整體控制流程首先是各模塊的初始化，其次獲取室內光照強度和人員分布情況信息，然后依據(jù)《建筑照明設計標準》中對居住建筑的照明標準的要求,計算出教室各區(qū)域還需要調整的光照強度值，把需要調整的光照值轉化為控制信號輸出，從而依據(jù)控制信號對教室各區(qū)域LED的光照強度進行調整，延時一段時間后再次依據(jù)室內光照強度和人員分布情況

對各區(qū)域LED燈的光照強度進行調整。其詳細流程圖如圖3室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態(tài)的調整，從而達到節(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)采用分層分布式結構，即站控層，通訊層與間隔層； 如圖（1）所示：

圖（1）網(wǎng)絡拓撲圖

間隔設備層主要為：開關驅動器，這些裝置分別對應相應的一次設備安裝在電氣柜內，這些裝置均通過現(xiàn)場KNX總線組網(wǎng)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。

網(wǎng)絡通訊層主要為：智能照明網(wǎng)關，其主要功能為把分散在現(xiàn)場采集裝置集中控制，同時遠傳至站控層，完成現(xiàn)場層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。

站控管理層：設有高性能工業(yè)計算機、顯示器、UPS電源、打印機等設備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計算機上，集中采集顯示現(xiàn)場設備運行狀況，以人機交互的形式顯示給用戶。 以上開關模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡單方便，傳輸距離可達1.2km。

4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成

1. 定時控制

通過時鐘管理器，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的有關區(qū)域照明的定時和自動管理功能，實現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫照明定時控制。如百葉窗定時升降、集中供熱定時調節(jié)、節(jié)假日照明定時關閉、定時通知等。

2. 場景控制

智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個部門的需求，設定不同種類的場景模式，進行各種照明燈光的組合，達到美化工作環(huán)境的效果；結合人體感應傳感器，當人員離開時，關閉所有該會議室照明。

3. 實時監(jiān)控

控制室，配置一臺中控主機，所有照明控制設備，通過KNX網(wǎng)關，接入監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員，可以通過中控電腦，實時監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài)，并可根據(jù)需求進行控制調整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁面，圖形頁面縮放方便，切換簡單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。

4. 報警處理

系統(tǒng)提供了警報處理能力，用戶可采用編程來完成不同的任務，當某種警報條件出現(xiàn)時應做什么，可由用戶自行確定。

5.事件通報 系統(tǒng)提供了事件通報功能，支持郵件通報、文本輸出以及事件驅動打印，可按照用戶預先設置的條件，觸發(fā)事件通報功能。

4.3設備選型

5.結束語

教室不同區(qū)域對于光照強度有不同的要求，據(jù)此，本文設計了一個教室智能照明控制系統(tǒng),能夠依據(jù)室內照明強度以及強度和人員分布情況信息，然后依據(jù)《建筑照明設計標準》 中對居住建筑的照明標準的要求,計算出教室各區(qū)域還需要調整的光照強度值，把需要調整的光照值轉化為控制信號輸出，從而依據(jù)控制信號對教室各區(qū)域LED的光照強度進行調整， 延時一段時間后再次依據(jù)室內光照強度和人員分布情況對各區(qū)域LED燈的光照強度進行調整。其詳細流程圖如圖3 室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態(tài)的調整，從而達到節(jié)能環(huán)保的目的。

參考文獻：

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