校园节能照明控制策略及软件设计2.docx

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校园节能照明控制策略及软件设计2

校园节能照明控制策略及软件设计

摘要：

关键词：

0序言

随着我国经济的快速增长，能源需求的大幅增加，能源供需矛盾突出。

尤其是近两年，全国用电量及电负荷增长较快，近些年来已有三分之二的省（区，市）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象，严重影响经济社会发展和人民生活水平提高。

据统计，我国照明用电量已占总用量的10%～12%，因此提高电能利用效率，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。

按照我国提出的“中国绿色照明工程”，照明节电已成为节能的重要方面。

目前的照明节能潜力很大，一般节能方案均能达到节约20～35%，按保守的数量采取20%的计算，全国节约的电能价值可观，可想而知在国民经济中该有多大的作用。

高校由于照明时间较长、照明场所较多，照明用电所占比例高达45%左右。

因此，对教学楼照明节能的研究有很大的潜力和现实意义，会产生巨大的社会和经济效益。

学校作为育人之地节能之意义并不仅仅局限在节能本身，更重要的在于还能够培养学生的节能意识。

教室照明作为大学校园里用电的主要方面,消耗了大量电能。

据统计,教室照明耗电约占学校所有耗电的40%，由于一些同学缺乏节能意识，教室内经常出现人走不熄灯的情况，另外，教室光线充足时，也可能会出现忘记关灯的情况,这些都会浪费电能。

因此，实现教室照明节能控制具有重大的意义。

本方案的主要设计思想是最大限度采用自然光源、设置时钟自动控制、采用照度感应和动静传感器等新技术。

同时结合现代电力电子技术、互联网、物联网技术及智能控制技术应用于照明实际之中。

1、校园照明控制系统功能与结构设计

1.1系统总体结构设计

校园照明控制系统的网络拓扑结构采用的是总线型结构。

总体结构如下图所示。

这种总线型结构具有灵活性较强，易于扩展，控制相对独立，成本较低等优点。

照明系统组成：

1、宿舍照明

学生宿舍是学生每天主要的生活场所之一。

有着人口密度大，学生活动频繁的特点。

所以学生公寓大多楼层众多，照明设施纷繁复杂。

智能照明系统控制多种可调光光源，通过智能调光始终保持最舒适的灯光环境。

可分别预设4种或8种灯光场景，分别有夜间、早上、下午、晚上等多种不同的灯光控制场景，也可由工作人员进行手动编程，能方便地选择或修改灯光场景。

2.教室照明

教室作为学校一个重要的组成部分，采用智能照明控制系统通过对各照明回路进行调光控制可预先精心设计多种灯光场景，使得教室在不同的使用场合都能有不同的合适的灯光效果，在校师生可以根据需要手动选择或实现定时控制。

教室的灯光控制系统可以和投影仪设备相连，当需要播放投影时，教室的灯能自动的缓慢的调暗；关掉投影议，灯又会自动的柔和的调亮到合适的效果。

此外，当教室用作自习室时，系统自动感应教室内学生数量及需要的照明灯数量，自动调暗或关闭不需要的照明灯光，可有效的节约能源。

3、图书馆照明

图书馆作为学校的一处重要设施，是师生学习工作的重要场所。

人流密度大，对光环境要求较高。

我们经常看到阅览室在人少时依然灯火通明。

造成极大浪费。

而有时又显得照度过低影响阅读。

为了给师生提供更加舒适的读书环境，同时尽可能的节约能源，对图书馆的照明控制显得极为重要。

智能照明系统可根据不同时段、不同人流量的特点自动调暗或关闭不需要的照明灯光，节约能源。

4.公共走廊/楼道照明

走廊在宿舍,教室等教学活动场所中是必不可少的，在走廊的照明是最能体现智能照明的节能特点，没用到智能照明时当走道没有人经过的时候而灯还依然亮着，这就大大浪费了电能。

智能照明系统可以设置0、1/3，2/3、3/3照度场景，根据现场情况自由切换。

在白天的时候，室外日光充足，只需要开启0、1/3或2/3场景模式；在傍晚的时候，室外日光逐渐降低，这是人流量也是一天中最高的时候，走廊灯应该全部打开在3/3照度场景模式；在深夜的时候，人流量非常小，又可回到1/3场景模式。

这样最大限度的节约了能源；有人模式，根据现场情况，照明灯亮度100%；无人模式，根据现场情况，照明灯亮度10%。

5．食堂照明

食堂是在校师生每天的必经之地，其灯具的选用和灯光布置不只是为了大堂照明的需要，更应考虑照明的气氛与的协调。

为师生提供一个舒适、优雅、端庄的光环境。

智能照明控制系统采用智能调光模块、智能控制面板、照度感应器，具有照明、手动调光、自动调光制功能。

根据不同时间和外部环境通过软件编程设定不同的灯光效果，灯光根据临时需要能进行灵活分割，开启变换，达到节能作用。

也可以通过设定时钟的控制方式实现公共照明区域的自动运行，以方便管理人员及值班人员。

通过智能控制面板，可预设多种灯光效果，组合成不同的灯光场景。

当需要改变灯光场景时，只需按一下按键，就可以实现灯光场景的改变。

食堂的场景控制面板放在后台，避免师生接触，这样就减少了不必要的操作失误了。

6.多功能厅照明

多功能厅主席台灯光以筒灯和投光灯为主：

听众席照明以吊顶灯槽、筒灯和立柱壁灯为主。

其中主席台可增加舞台灯光以满足演出的需求，其控制由舞台灯光、音响专业设备控制。

多功能厅可根据其使用功能不同设立多种模式，如：

报告模式：

应以突出发言人的形象为主，主席台筒灯亮度在70%-100%之间，透光灯适当开启，以不影响发言人感觉为原则；听众席以筒灯（亮度80%）为主，方便与会人员记录，同时壁灯全部开启。

7.校园路灯照明

校园路灯照明的每条照明回路之间的距离较远，每条回路的功率较大。

如采用普通照明，控制起来非常麻烦，很难做到按时开关。

采用智能照明则可对校园路灯照明采用多种控制方式，例如晚6点开启整个照明灯具，11点关闭部分校园照明灯具，12点以后只留必要的照明，具体时间还可根据一年四季昼夜长短的变化和节假日自动进行调整。

还可以根据现场情况通过控制面板控制。

通过时间管理自动控制方式：

模块具有5天时钟管理功能，可以按照编好的程序按照时间自动进行管理，设置极为简单方便，另可对所有受控灯具按年、周、日为单位定时控制开关。

通过控制面板控制：

每个控制面板和智能控制模块可以储存200个事先预置好的场景，在需要的时候随时可以调用出来。

控制面板放在学校后勤管理人员操控的地方，避免了师生接触，防止误操作。

智能照明除了可以通过时间来控制室外泛光照明，还可以通过照度感应器来自动控制。

使用照度感应器，系统会根据室外日光的照度来自动控制室外泛光照明，既节约能源，又提高了整个校园智能化水平。

8.车库照明

学校车库智能照明控制系统在中央控制主机的作用下，处于自动控制状态。

可根据实际照明及车辆的使用情况，将一天的照明分为几个时段，通过软件的设置，在这些时段内，自动控制灯具开闭的数量。

达到控制区域不同的照度方式以供照明，这样使灯光的照明既得到了有效的利用，又大大地减少了电能的浪费，保护了灯具，延长了灯具的使用寿命。

如有特殊需要，可在管理室用按键开关，手动开启或关闭照明。

当符合了自动控制的要求时，系统会自动恢复到自动运行的状态，无需手动复位。

此外在车库入口管理处安装可编程开关，用于车库灯光照明的手动控制。

只要按动一个键便可改变整个车库的灯光。

不需要管理人员到现场单个开关。

减少了车库的运行费用。

1.2系统功能与特点

（1）智能化照明

校园照明智能控制系统由xxx、xxx、xxx、xxx等模块组成，可实现智能控制自动调光、充分利用自然光、节约能源、延长灯具寿命的功能。

该照明智能控制体统最重要的作用就是利用传感器及远程遥控器实现对灯光的自动控制，也就是场景控制。

所谓场景是指在不同环境条件下，通过亮度调整而创作出来的某种灯光气氛。

根据环境以及人们的需求不同采用不同的场景，并实时进行场景切换，营造出不同的灯光环境，从而实现的校园照明的控制自动化。

（2）节约能源

校园中由于照明而浪费的能源非常之多。

而应用这种智能照明系统可在很大程度上节约能源。

其利用亮度传感器自动调节灯具亮度，在外界亮度较高时调高灯具亮度，反之，则调低灯具亮度。

这样可充分利用自然光，达到节能的效果。

另一方面，可利用感应器，当人进入感应区域内渐升灯亮，当人离开感应区域后则降低或熄灭灯光，及时关掉不需要的灯具，从而实现楼道、走廊以及路灯的实时控制，保证运行的节能效果。

（3）延长灯具寿命

灯具的降低，乃至损坏是电网电压不稳定等因素导致的。

因此延长灯具寿命的有效办法是抑制电网电压波动。

校园照明智能控制系统能够成功的抑制电网的冲击电压以及浪涌电流，避免灯具的损坏。

同时该系统采用软启动、软关断，可更为行之有效的延长灯具寿命。

应用智能照明系统可延长灯泡寿命3-4倍，从而节省大量灯泡，以及减少更换灯泡的工作量，方便管理。

（4）综合控制

校园照明智能控制系统通过计算机网络对整个系统进行监控，将各个具有独立功能的模块连接在计算机总线上，从而实现对整个系统的综合控制以及智能化管理。

（5）美化环境

照明其最根本的功能是在夜间及阴雨天气自然光线较弱时，作为光源补充外界光线的不足。

同时与小学和中学校园不同，大学校园不仅是学生学习的场所，同时也是他们活动及休息的场所。

所以其对照明的要求不仅体现在照明本身的功能性上，更体现在其利用照明效果所达到艺术性方面。

好的灯光设计，能营造出一种温馨、舒适的环境，增添其艺术的魅力。

为师生学习、工作创造舒适氛围。

利用灯光的颜色、投射方式和不同明暗亮度可创造出立体感、层次感，不同色彩的环境气氛，不仅为学生提供一种舒适的环境，而且还可以产生一种艺术欣赏感。

富有艺术感的校园灯光设施有助于凸显校园特色，增添校园整体艺术感及美感。

2、系统硬件设计

2.1智能照明系统的硬件组成

2.1xxx1模块设计

（1）中央控制中心。

系统使用计算机作为中央控制中心，通过射频通讯装置与网络实现无线通讯。

计算机通过对各传感器回馈实时信号进行分析计算，可直接实现编程、监控、故障报警等功能。

局域网上的计算机也能通过主控中心实现监控功能。

2.2xxx1模块设计

（2）无线通讯装置。

主控中心与系统网络各单元的通讯枢纽，实现传感器与计算机之间信号转换与传递，使系统能够实时大范围的控制，并且具有自诊断及报警功能，提高系统稳定性。

（给出电路图）

2.3xxx1模块设计

（3）全数位电子镇流器。

照明节能的核心部分，主要由控制电路、驱动电路组成。

镇流器均可独立工作，也可以由计算机中心控制。

中央主控中心停止工作或通讯中断不影响电子镇流器的正常运行。

全数位电子镇流器可以有效实现对照明灯的宽电压、程序式预热启动、光照度可控可调，功率因数高，异常状态诊断及保护等，实现对照明灯运行状态的遥测、遥控、遥调的远程监管，实现方便的应用于各种场合的优化照明控制模式。

（给出电路图）

2.4xxx4模块设计

（6）传感器。

在校园照明控制系统中主要运用到的是照度传感器和声音传感器。

通过感应外界自然光的照度以及外界噪音的分贝数，并将其感应信号通过通讯装置转换传递给中央控制中心，实现智能探测和智能调节功能。

（6）传感器。

在校园照明控制系统中主要运用到的是照度传感器和声音传感器。

通过感应外界自然光的照度以及外界噪音的分贝数，并将其感应信号通过通讯装置转换传递给中央控制中心，实现智能探测和智能调节功能。

（7）手动开关。

为了便于统一的管理和对突发情况的灵活应对，在校园只能照明控制系统中还加有人为控制的手动开关。

这样在自动控制系统误操作或零操作时，可以认为对学校照明系统进行操作，保证其正常运行。

3、智能照明控制方法

3.1智能照明控制算法

3.2系统软件设计

1校园照明现状

大学校园是学生及其教职工学习、教学、生活的地方，人流量较大，用电量大。

而研究表明校园的照明用电占学校总的用电量的相当一部分比重。

故其照明效果将会直接影响到学生及教职工的日常生活，同时照明损耗也会对城市用电损耗产生影响。

大学校园照明的特点：

一、不同功能区对于照明的要求不同

大学校园作为培养高素质人才及科研活动基地普遍具有占地比较大，功能区划分较明显的特点。

校园功能区一般可分为：

教学区、图书馆、学生宿舍区、教职工公寓区、生活超市及医院、公共活动区等。

各个功能区所起的作用不同，对照明的要求也不同。

如对于教学区、图书馆：

其对照明的亮度要求较高，若亮度不够，则达不到学生对于亮度的要求；若亮度太强，则会使学生产生眩晕等不良状况，以上两种情况都将会对学生视力产生影响，故教学区须有合适亮度的照明系统。

而对于公共活动区（如操场）则对亮度的要求并没有教学区那没高，但在这些区域不仅要考虑到亮度问题，更要考虑到这些地方的照明系统的设置及照明器具的选择及摆设对校园整体风格及美观性的问题，这也就是下面关于照明的艺术性。

二、照明系统设计的艺术性

照明其最根本的功能是在夜间及阴雨天气自然光线较弱时，作为光源补充外界光线的不足。

同时与小学和中学校园不同，大学校园不仅是学生学习的场所，同时也是他们活动及休息的场所。

所以其对照明的要求不仅体现在照明本身的功能性上，更体现在其利用照明效果所达到艺术性方面。

好的灯光设施，能营造出一种温馨、舒适的环境，增添其艺术的魅力。

为师生学习、工作创造舒适氛围。

利用灯光的颜色、投射方式和不同明暗亮度可创造出立体感、层次感，不同色彩的环境气氛，不仅为学生提供一种舒适的环境，而且还可以产生一种艺术欣赏感。

富有艺术感的校园灯光设施有助于凸显校园特色，增添校园整体艺术感及美感。

三、校园照明能源浪费严重

大学校园照明能源浪费来自于多方面，其中人为因素占大部分。

比如我们经常可以看到，当白天同学们都在教室上课时，宿舍里仍灯火通明，没人理睬；当深夜同学们都睡觉后，走道的灯仍旧没人关掉。

据统计，学生公寓因此而浪费数百亿千瓦时！

因此对学生公寓照明设施实行智能化，绿色化和节能化的统一管理已显得尤为重要。

还有一些是由于照明系统本身的局限性，例如路灯一般照明时间为19:

00至凌晨5：

00，但其实一般凌晨两点以后路上基本没有人活动，这时路灯开着，电能也是白白浪费了。

虽然各个大学校园基本上都已形成独具自身特色的照明系统，但总体的校园照明现状是：

照明系统虽都已基本满足校园对照明的要求，但均存在不同程度的能源浪费问题。

那么如何解决这一问题呢？

在如今提倡绿色环保的环境下，我们需将绿色的概念融合进校园照明系统中去。

运用这种绿色的、智能的新型照明控制系统将照明的能源浪费控制至最低，实现绿色照明。

2智能照明控制方法

2.1智能照明系统的硬件组成

（1）中央控制中心。

系统使用计算机作为中央控制中心，通过射频通讯装置与网络实现无线通讯。

计算机通过对各传感器回馈实时信号进行分析计算，可直接实现编程、监控、故障报警等功能。

局域网上的计算机也能通过主控中心实现监控功能。

（2）无线通讯装置。

主控中心与系统网络各单元的通讯枢纽，实现传感器与计算机之间信号转换与传递，使系统能够实时大范围的控制，并且具有自诊断及报警功能，提高系统稳定性。

（3）全数位电子镇流器。

照明节能的核心部分，主要由控制电路、驱动电路组成。

镇流器均可独立工作，也可以由计算机中心控制。

中央主控中心停止工作或通讯中断不影响电子镇流器的正常运行。

全数位电子镇流器可以有效实现对照明灯的宽电压、程序式预热启动、光照度可控可调，功率因数高，异常状态诊断及保护等，实现对照明灯运行状态的遥测、遥控、遥调的远程监管，实现方便的应用于各种场合的优化照明控制模式。

（6）传感器。

在校园照明控制系统中主要运用到的是照度传感器和声音传感器。

通过感应外界自然光的照度以及外界噪音的分贝数，并将其感应信号通过通讯装置转换传递给中央控制中心，实现智能探测和智能调节功能。

（7）手动开关。

为了便于统一的管理和对突发情况的灵活应对，在校园只能照明控制系统中还加有人为控制的手动开关。

这样在自动控制系统误操作或零操作时，可以认为对学校照明系统进行操作，保证其正常运行。

2.2智能照明系统的控制方式

（1）中央控制。

主控制中心对各照明回路的外界条件进行分析计算后，在主控中心对所有照明回路进行调控，通过电脑操作界面控制各电子整流器及灯的开关。

（2）定时控制。

根据学校各区域的作息时间，不同时间段对各区域的照明设施设置相应的开关状态及亮度。

（3）现场可编程开关控制。

通过编程的方式确定每个开关按键所控制的回路，单键可控制单个回路、多个回路。

（4）调光控制。

系统根据各区域不同功能及外界不同光照条件或不同的噪音分贝数，通过电子整流器可连续控制灯的发光强度。

（5）照度感应控制。

系统只根据外界自然光源的照度的不同，调节相应照明设施的发光强度。

（6）隔灯控制。

利用隔灯的方式区分照明回路，实现1/3、2/3、3/3照度控制。

2.3控制方法的设计。

上文已经分析了现在校园照明现状，以及造成电能浪费的各方面原因。

若将智能照明控制系统用于学校各不同区域内，则能够改善校园用电的各方面不足，提高校园照明系统运行的安全性与高效性。

智能照明控制系统可根据各区域特定功能及对照明不同的需求、结合外界自然条件（光的照度和噪音的分贝数）变化、按不同工作模式进行系统预设置达到全自动工作状态。

其工作方式以全自动控制为主，手动控制为辅。

智能照明系统可以通过控制照明光源开关状态、发光时间、亮度来满足各个场合的应用，而且管理智能化和操作简单化，并且能灵活适应未来照明布局和控制方式变更的要求。

其总体控制框图如下：

考虑到校园各功能区的照明利用情况都不尽相同，对于不同的功能区调控方案与控制方式也会有所出入。

为了使智能照明控制系统能在不影响校园对照明需求的前提下最大限度的减少电能浪费，更好的实现绿色照明。

我们将校园内每个功能区根据其用途特点以及不同时间段外界自然条件而分成不同的工作模式，不同工作模式下照明设施在中央控制的调控下也会有不同的照度。

例如：

宿舍公共走廊灯在晚间没有人通过的情况下，可以保持5%的照度而不完全熄灭，以减少重新工作瞬间较大的电能损耗。

与此同时，在每个功能区还会设置现场可编程控制开关以及手动开关，以保证在初设的工作模式不能满足需求等意外情况时等及时调整照明设施的照度。

以最大限度的确保对照明系统的节能控制。

3.系统软件设计

软件控制系统是校园节能照明系统设计的核心，它直接决定校校园节能照明系统的功耗及性能。

本文的控制系统软件部分是在BorlandDelphi程序开发环境及SQLSERVER2000数据库环境开发调试的。

编译后的EXE文件可直接在WindowsXP、Vista及7下运行

SQLServer2000是Microsoft公司推出的数据库管理系统。

具有使用方便,可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点，提供完整的XML支持。

它还可跨越不同平台使用。

并且易于安装部署。

Delphi是Borland公司推出的一种方便、快捷的Windows应用程序开发工具。

它使用了MicrosoftWindows图形用户界面的许多先进特性和设计思想，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序Object-Pascal语言。

大大地提高编程效率。

在数据库应用方面，Delphi主要有两种连接数据库的方法——BDE（BorlandDatabaseEngine）和ADO（AdvancedDataObject）。

本文所述系统采用后者即ADO连接SQLServer数据库。

Delphi中的ADO不仅接受标准ADO技术的属性和方法，还包容吸收了BDE的特点。

这种数据库连接技术不仅提高了执行效率，还给程序设计人员更多灵活选择的余地。

程序整体结构图如下

用户用户通过前提控制系统认证登陆后可以直接对后台伺服程序发送指令，由后台伺服程序控制镇流器调光，其动作将同时被记录于数据库中。

系统内对于所有灯光镇流器通过MAC地址唯一编号。

可以将行为类似的整流器组成一组。

组与组直接允许嵌套。

通过这种方法将整个系统形成树形结构。

每一个独立整流器为为树的枝叶。

每一个组形成树的节点。

用户既可单独对某台整流器操作也可利用组管理快速改变该组下所有镇流器的工作状态。

树形结构的根为8中情景之一。

在无人操作的情况下灯的调节默认由每种情景所设定的参数控制。

前端程序设计

前端程序是用户的操作界面。

通过登陆认证后即可对系统进行操作。

本系统提供两种模式：

手动模式和自动模式（即背景模式）。

手动模式下可单独对照明亮度进行调节。

自动模式如图，系统根据设定时间自动切换灯光的工作模式

用户软件控制结构图：

操作流程：

前台程序接收到用户指令或者自动触发亮度更改信号后通知伺服系统。

伺服系统进行判断操作权限符合后即触发亮度调节子程序。

本系统采用先记录后操作的管理模式有利于系统的故障恢复。

记录完成后伺服系统读取需要调节的灯光所在镇流器信息并发出调光指令。

指令经过网关发给电子镇流器调光。

并通过传感器将结果反馈给伺服系统。

数据库结构设计

数据库是本软件系统的核心之一，它通过记录各种场景下的工作参数通过网络实时控制各镇流器的脉宽调制信号占空比从而控制灯了亮度。

并且记录下前台程序和伺服程序所发出的指令。

便于控制管理和故障恢复。

此外，数据库还负责登陆账号及操作权限的管理。

记录操作时间。

检查用户是否有操作权限。

控制系统的数据库主要结构如图所示

表Login、UserManagement、LoginHistory用于系统的登陆验证及用户管理，表Authority记录每一个用户所能管理的权限。

系统每次登陆时都由此确认操作者名称及其管理权限。

表Mode用于记录场景，OperationText以字符串形式记录每种场景的自动执行方案。

自动执行方案即该场景下不同亮度的切换时间及更改的亮度值。

其GroupID指向该模式下的镇流器树形结构的根。

Groups存储所有节点的信息。

每个Group都有唯一GroupID，其FatherGroup指向父节点形成树形结构。

表Lamps记录所有镇流器的信息包括它们的MAC地址及工作状态以及该镇流器所控灯光所属的组。

每一次对对亮度的调节都会记录在History表中，包括状态如何切换、切换时间以及是自动触发还是手动触发。

伺服程序设计

伺服程序工作于系统后台。

循环检测各镇流器所控灯光的状态并与Mode表中所对应状态的OperationText比较判断是需要自动触发调节灯光亮度。

此外伺服程序还负责接收前台直接发送的控制指令以及及时通知前台由传感器所反馈信息。

4.总结