基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室照明節(jié)能方案研究

引言

在我國照明耗電占年發(fā)電量的10%，而對照明場所多的 高校而言，照明耗電超過了學(xué)校年耗電量的40%。高校教室 照明用電的管理基本是一種粗放式的管理狀態(tài)，高耗能、低 光效的照明器材仍普遍采用。高校教室具有學(xué)生流動率高、 教室學(xué)生人數(shù)不定的特點。教室作為公共資源隨時都有學(xué)生進(jìn) 來和離去，這樣很容易造成能源浪費(fèi)現(xiàn)象的出現(xiàn)，例如人走燈 未滅；教室只有幾個學(xué)生，但整個教室的燈都開著。

由于高校教室學(xué)生流動性大，教室照明具有明顯無序性 的特點。針對此特點業(yè)界提出了聲控方案、紅外感應(yīng)方案、 定時滅燈方案等，這些方案對單點控制效果明顯，但不能實 現(xiàn)教室照明的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文嘗試?yán)?a href="/tags/物聯(lián)網(wǎng)" target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建基 于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室照明監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)高校教室照明自動控 制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設(shè)備等方式獲取物理世界的各種 信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳送與交互，采用 智能計算技術(shù)對信息進(jìn)行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的 感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。其主要由感知層、網(wǎng)絡(luò) 層和應(yīng)用層組成，其中：感知層包括傳感器、二維碼、RFID （射頻識別）、多媒體設(shè)備等數(shù)據(jù)采集和自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò) 層包括各種網(wǎng)關(guān)和接入網(wǎng)絡(luò)以及異構(gòu)網(wǎng)融合、云計算等承載網(wǎng) 支撐系統(tǒng)；應(yīng)用層包括信息管理、業(yè)務(wù)分析管理、服務(wù)管理、 目錄管理等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子系統(tǒng)。

針對高校資源浪費(fèi)現(xiàn)象，可以采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)智 能控制，通過物聯(lián)網(wǎng)所提供的大量的傳感技術(shù)、無線通信技 術(shù)，以及微處理控制系統(tǒng)，使智能照明系統(tǒng)能夠“感知”環(huán)境, 根據(jù)外界情況的變化作出相應(yīng)的解決方案，避免能源浪費(fèi)。相 比人工控制教學(xué)樓照明燈，物聯(lián)網(wǎng)控制實時性強(qiáng)，而且可以全 天候工作。

2智能照明系統(tǒng)設(shè)計

2.1智能照明系統(tǒng)架構(gòu)

高校教學(xué)樓照明按區(qū)域劃分為教室內(nèi)照明、過道照明、 廁所照明。針對照明要求不同，分三種回路控制，分為教室內(nèi) 照明回路、過道照明回路、廁所照明回路。白天過道采光充足 的情況下不需要開燈，晚上教學(xué)樓關(guān)門后在沒有人的情況也不 需要開燈，可以采用定時器控制。對于廁所照明也可采用定時 器控制，在早上教學(xué)樓開門時接通廁所照明總閘，在晚上關(guān)門 時斷開總閘。而對于教室照明需要更智能化的控制，可通過傳 感器識別有無人進(jìn)入房間或檢測環(huán)境的光照度，自動調(diào)整教 師燈的開啟關(guān)閉。

高校教室智能照明系統(tǒng)分成三層架構(gòu)：監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層 和設(shè)備層，如圖1智能照明系統(tǒng)架構(gòu)所示。設(shè)備層主要是采集 信息和控制照明燈的功能；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)信息傳輸，實現(xiàn)監(jiān)控層 與設(shè)備層之間的通信；監(jiān)控層主要功能是對整個系統(tǒng)進(jìn)行控 制和管理工作。這三部分共同完成了服務(wù)器通過多種網(wǎng)絡(luò)與底 層設(shè)備進(jìn)行信息交換，從而達(dá)到控制室內(nèi)照明燈的目的。

2.2 通信系統(tǒng)設(shè)計

在圖 2 可以看到智能照明通信系統(tǒng)采用了 CAN 總線、ZigBee無線網(wǎng)路和以太網(wǎng)三種網(wǎng)路。ZigBee具有低功耗、低 成本和組網(wǎng)能力強(qiáng)的特點，但是它傳輸距離只有75 m,因 此遠(yuǎn)距離傳輸部分采用了以太網(wǎng)。感知單元的所有元器件通 過CAN總線連接到ZigBee模塊，每個元器件均分配唯一的 單元地址。當(dāng)感知單元的元器件采集到信息后，將其傳輸?shù)?ZigBee模塊，ZigBee模塊再將信號傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到 信息后進(jìn)行判斷，繼而控制相應(yīng)回路輸出。ZigBee模塊將控 制信息發(fā)送到控制模塊，控制模塊實現(xiàn)對照明燈的開關(guān)控制。 控制模塊是一種靠繼電器輸出開關(guān)量的元件。

2.3監(jiān)控中心設(shè)計

監(jiān)控中心運(yùn)行在服務(wù)器上，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與智能網(wǎng)關(guān) 通訊。監(jiān)控中心主要對教學(xué)樓內(nèi)教室的照明情況進(jìn)行實時監(jiān) 視，并能遠(yuǎn)程控制照明燈的開關(guān)，如系統(tǒng)要控制分布的照明燈 具，可由監(jiān)控中心來完成。監(jiān)控中心需要完成的功能包括：查 詢教室照度、網(wǎng)絡(luò)連接情況、教室照明燈開啟情況；可選擇手 動或自動運(yùn)行模式，手動模式下可在監(jiān)控界面上遠(yuǎn)程控制開 關(guān)燈，自動模式則是系統(tǒng)更加照度自行調(diào)節(jié)照明；教室的用電 情況、照明時長等記錄在數(shù)據(jù)庫，方便查詢。

3結(jié)語

本文對高校教室智能照明系統(tǒng)提出構(gòu)想，下一步工作將 對系統(tǒng)的底層硬件設(shè)備、組網(wǎng)方式和服務(wù)器作研究開發(fā)。若 有需要可以通過通用接口，將智能照明網(wǎng)絡(luò)與智能樓宇系統(tǒng)聯(lián) 動起來工作，使高校校園管理更加方便。本文所提出的通過 光照度變化和紅外人體感應(yīng)的智能照明系統(tǒng)，能夠滿足教學(xué) 節(jié)能需求，對建設(shè)節(jié)約型校園有較高的應(yīng)用價值。

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