教室光环境智能控制系统

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，通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；作品通过对环境光强信号、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，我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，2011年中国能源消费总量比2010年增长7%。2011年我国能源消费总量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。而我国节能灯普及率仍然较低，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。目前，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，尤其是我国以火力发电为主，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。近几年我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。目前，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。

目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他智能元件(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，所以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 信号

采集信号处理控制器控制对象

光敏信号

投影仪信号人体信号

手动信号

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可以识别的电平信号，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，通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

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，（2004年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》(B50034-2004)，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，此时通过步进

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°，通过电机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

图3教室区域示意图