教室照明智能控制论文

2022-04-18

摘要：针对目前高校教室照明系统中，传统的人工管理方式效率低下、人走灯亮的长明灯情况普遍、用电浪费明显的现状，设计了一种照明节能自动控制系统。控制系统以PLC为中央控制器，控制现场底层设备的工作。使用C#语言开发的PC端上位机软件，与PLC以Modbus协议进行通讯，作为照明控制和监测平台。以下是小编精心整理的《教室照明智能控制论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

教室照明智能控制论文篇1：

教室照明智能控制装置

摘要：教室作为学生汲取知识、教师传输知识课程的重要场所，能够满足学生的学习要求，教室照明系统十分关键。要想保证教室照明系统实现自动照明，就需要对传统教室照明系统进行改进，运用单片机技术对传统灯具进行有效控制，使其根据教室内部明亮变化自动调节亮度，在改进后也可以有效降低能源资源的消耗，保证资源节约。

关键词：教室;照明;智能控制装置

传统教室使用大量开关人工控制照明亮度，经常会出现忘记关灯的情况，造成大量电能资源浪费。部分教师在夜晚出行要摸黑寻找开关，对于年幼学生和年长教师具有极大威胁。灯泡长时间点亮会严重损坏灯具的使用寿命，也会造成资源的严重浪费。在教室灯光照明系统管理中，要根据实际要求来随意调节灯光照明系统。

一、工作原理

从节能的角度，在教室照明系统改进的过程中，要尽可能加强对照明灯的分区控制，通过这样的措施实现智能控制，可以随时检测出教室内是否有人员活动，又能够判断教室内的发光强度是否满足学生学习需求。智能照明控制系统主要结构包括红外线探测装置、照度计部分[1]。红外线探测装置可以通过红外线对人体进行测量探测范围在5m内视角为90°探测元件，在感受到红外辐射后会提高输出端输出高电平，当人员走出后输出低电平，快速判断是否有人员活动。利用斯密特触发器构成串并联电路，能够实现前置缓冲，增强驱动力，保证与红外探测元件逻辑一致。教室内的发光强度可以对内部的空间亮度进行准确判断，利用光电管探测区域内的光线，当光线较弱时光电输出高电平，通过放大器和比较器对信号进行筛选，并与非门输入端保持一致，实现智能化控制。在照明控制系统设计中，包括智能控制模块和维修模块两部分，而智能控制模块需要通过单片机，移动物体检测传感器进行控制，利用C语言对单片机进行控制，维修模块能够及时判断灯具损坏情况。如果出现损坏可以立即通知维修人员，维修人员对设备故障设备进行快速处理，增强照明系统的整体工作效率。

二、智能控制模块的设计

（一）移动物体检测装置

在移动物体检测中，需要利用红外线传感器对人员活动轨迹进行自动判断，传感器没有探测到移动物体时输出低电平，利用三极管导通控制单片机，打开LED灯。为了保证传感器在检测人员检修后单片机能够立即进行响应，必须要进行并联，保证探测无死角[2]。该系统使用基于RS485和CAN总线的分布式控制系统控制和管理校舍内的电气设备。整个系统由三级和两层网络组成，即教室控制级、地面控制级、主机级、CAN网和RS485网。教室控制等级和地板控制等级使用具有MCS-51-8051单片机作为中央处理器的控制系统。网络部分在教室的同一层使用以RS485标准构建的数据获取网络，地板和监视中心（主控制主机）之间的通信使用CAN网络。所有的教室控制器和地板控制器都必须建立在网络和通信平台上。系统使用计算机的串行端口和单片机的串行通信功能，使用RS485总线网络和CAN总线网络分别实现单片和单片。

（二）LED照明控制

在LED照明控制中，为了使设计更加科学优化，需要对环境发光强度检测之后，对移动物体检测灯具通常在夜晚工作。在照明控制装置设计中可以增加工控设计，保证高于夜晚的亮度值。照明控制装置要充分考虑学生学习和教室上课的需求，对于照明亮度要求比较高，要适量调整亮度。在LED照度范围内，可以将光照度调整到500sd左右。在控制电路设计中，楼道和教室内的环境各不相同，在照度设计中也存在明显差异，楼道临界值应该低于教室内的临界值，有效节约资源。通过对 LED照明强度的自动调整，单片机可以在判断人为移动时控制 LED照明开关的开启和降低。在教室智能照明控制系统维修模块设计中，如果长时间运行很容易导致用电设备损坏，通过构建检修模块能够在发生故障后立即对灯具进行检测，通过单片机向维修人员发出指令，在维修过程中只需切换工作维修模式，就能保证单片机处于维修状态，确保维修人员安全[3]。

三、教室照明控制系统的问题

（一）布局问题

教室内距离窗户远近各不相同，受日光强度的影响也各不相同，不在不同区域内需要安放控制该区域的三盏灯，相邻两区域的装置探测范围都有明显重叠，要保证在有人员活动区域中有足够的光强，当某一个同学单独处于某一区域，只有它周围的灯亮。处于区域重叠时至多有6～9盏灯亮。还有其他人员来到教室时可以选择其他区域，当没有人或者光的强度足够时则灯光立即熄灭，实现智能化控制，达到有效的节能效果。

（二）远红外探测装置的问题

在标准教室内部，如果红外装置没有得到合理控制，每一个装置都能够探测5m范围，造成大面积的重叠交叉，失去了智能控制的效果。为了增强教室内4个装置的覆盖范围，避免相互影响，需要在此装置中安装一定倾斜角度挡板来控制具体的作用范围，还要让两个区域的装置具有明显的交叉，确保人员能够在某一区域时只有此区域的灯光亮而处于两个区域中间时，两个区的中间同时减量，每一个区域接受光照角度不同，要合理优化照度计的设置，为了增强照度计工作准确，效果可以放置在太阳光和灯光无法直射的区域，保证照度计测试负责区域的散射光来提高区域光强的设计效果，最终满足学生的学习需要[4]。

结束语：

综上所述，在教室燈光照明设计中，不同类型的灯光照明控制系统功能比较复杂，对于教室的实用性并不高，要积极针对教室灯光照明智能控制系统进行全面分析，有效提高照明系统的智能化控制水平，重点解决在实际设计中的应用问题，有效节约教室成本管理，及时做好灯具维修，避免电能资源的无效浪费。

参考文献：

[1]阳佩良，杨春宇，梁树英.重庆高校教室冬季照明主观评价调查研究[J].灯与照明，2020，44（04）：8-11.

[2]王贺，薛鹏，梁青璇，赵梦静，赵一凡.高校教室LED照明效果与不同场景光环境需求研究[J].照明工程学报，2020，31（06）：106-112.

[3]宋涛.区域中小学教室照明整体提升工程实施方案的探索和研究[J].中国现代教育装备，2021（06）：12-14+32.

[4]杨靖宇.2019年五台山风景名胜区中小学校教学环境卫生状况调查[J].中国药物与临床，2021，21（05）：853-854.

普罗斯电器（中国）有限公司

作者：周芝霞

教室照明智能控制论文篇2：

高校教室照明节能自动控制系统设计

摘要：针对目前高校教室照明系统中，传统的人工管理方式效率低下、人走灯亮的长明灯情况普遍、用电浪费明显的现状，设计了一种照明节能自动控制系统。控制系统以PLC为中央控制器，控制现场底层设备的工作。使用C#语言开发的PC端上位机软件，与PLC以Modbus协议进行通讯，作为照明控制和监测平台。设置了休息日、节假日、寒暑假等符合高校工作时间的工作模式，实现教室照明的自动控制，避免了不必要的照明用电，起到节能降耗的效果。同时，在上位机软件上还能够直接控制教室现场灯具，监测灯具使用情况，包括开关状态、今日使用时间、累计工作时间等，方便工作人员管理。

关键词：教室照明节能 PLC C#

中国分类号：TP273 文献标识码：A

据教育部公布，截止2013年6月，全国共有2621所高校（包括全国普通高校共1909所、民办普通高校共295所、成人高校共415所、民办成人高校共计2所），且每个高校不止一幢教学楼。近几年来，随着高校的扩招，学生数量大幅增长，大学教学楼的数量也增加很多。由于大学开放型的管理模式，以及学生们节能意识的淡薄，教室里在白天室内照度充足的情况下，仍普遍存在开灯学习的现象，即使教室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明灯。在许多教室里，长明灯和人走不熄灯的现象普遍存在[1-2]。据测算，照明耗电占学校建筑耗电的40%左右。

该文设计一种照明节能自动控制系统，利用PLC为中央控制器，控制现场底层设备的工作。使用C#语言开发的PC端上位机软件，与PLC以Modbus协议进行通讯，作为照明控制和监测平台。设置了休息日、节假日、寒暑假等符合高校工作时间的工作模式，实现教室照明的自动控制，实现智能管理而且节约能源。

1 建筑照明能耗标准

1.1 建筑照明节能评价方法

目前对建筑照明能耗进行计算的计算模型并未统一[3]，目前国际上常用的照明能耗计算方法有比利时计算法、欧洲EN15193标准法等。在我国，根据GB50034-2004《建筑照明设计标准》，建筑电气设计上普遍采用LPD（lighting power density，照明功率密度）来评估照明设计是否节能[4-6]，其定义为：

其中，为室内装设光源（包括镇流器）的功率之和，单位为W；S为房间面积，单位为m2，即单位面积上的照明安装功率（包括光源、镇流器或变压器），单位为。

根据GB50034-2004《建筑照明设计标准》规定[7-8]，学校建筑的LPD值不应超过表1的规定数值，否则即为不够节能的照明设计。

1.2 节能潜力分析

假设教室的照明设计符合国家节能标准，以教室的照明功率密度为10W/m2计算，一个标准教室的面积为96m2，假设每天正常用电时间为15h，每个教学年度按270日计，一个学校教室数量为200间，节电率以平均30%计算，则一年可节电2.33*105kWh，节约电费12～20万元。（以上估算还未包括线损和灯具长时间开启而损坏的部分）。因此，研究大学教室的节能照明自动控制系统，在满足学校照明需求的基础上，实现大学教室照明的节能自动控制，不仅能满足室内人员对照明的要求，又节能降耗，延长灯具寿命，降低运行费用，简化节省配电控制设备和管线工作量，课件照明节能潜力巨大，以成为建筑节能不可或缺的一部分。

2 控制系统整体方案

2.1 控制系统结构

照明节能自动控制系统采用“上位机—PLC—现场节点”的结构，以“集中管理，分布执行”的方式控制系统中的各个设备，控制系统结构如图1所示。

系统中，采用西门子S7-200（XP224）型PLC作为下位机，PC作为上位机。在上位机软件中，工作人员登录系统后，可以在软件里设定特定教室一周的课表，课表数据将发送到PLC保存，同时保存在上位机内。PLC接收到课表数据后，将会按照课表上安排的上课时间段控制教室的照明灯具的开关，以达到照明的自动控制，避免不必要的照明造成浪费，节省电能。工作人员可以在上位机软件随时修改特定教室的课表，更改课程时间，也可以直接远程控制教室灯具的开关，使控制更为灵活。在上位机软件可以监控特定教室的灯具的使用情况，包括实时开关状态、灯具使用时间等，数据可以在上位机上保存，使工作人员能够方便地管理教室照明设备，统计分析照明数据。系统包括自动控制和人工手动控制两种控制模式，除了根据课表自动控制教室，在教室现场可以人工开灯和关灯。

2.2 控制系统的控制策略

该控制系统主要采用的是基于时间控制的控制策略，并针对高校教室工作时间进行调整，具体控制策略如下。

（1）正常工作日时间。

在周一至周五的工作日里，系统根据教室的课表时间控制灯具开关。根据高校课程的时间安排特点，将上午第一、二节课设定为8点至9点35分，第三、四节课设定为10点05分至11点40分；下午第五、六节课设定为14点30分至16点05分，第七、八节设定为16点35分至18点；晚课时间设定为19点30分至22点。有课的教室将在对应时间段开灯，课间时间段不关灯，在上、下午及晚课的最后一节课下课后自动关灯。

（2）休息日时间。

在休息日时间，控制系统白天不开灯，由教室根据现场需要人工开灯。下午18点之后，只开启三分之一的灯具，在22点之后，控制系统将检查并关闭所有灯具。

（3）寒暑假时间。

在寒暑假时间，控制系统将不开启所有灯具，并在每天的中午12点及晚上22点检查并关闭所有灯具。

3 控制系统硬件设计

根据对广东某高校教学楼的实地考察，其教室内的灯具采用统一布局。灯具类型使用36W日光灯，中等规模的教室一般安装有9根日光灯，其分布如图2所示。

高校教室一般将每一排的三个灯具作为一组，共前中后三排，教室里的开关总是一次性控制一排三个灯具开关。因此，该系统沿用这种控制特点，将教室的9个灯具分布分为三部分，按照前中后的位置划分为一号、二号、三号灯具。

4 控制系统上位机软件设计

上位机软件运行于该控制系统的最上层，是控制系统的控制核心，也是整个系统的监控平台，实现控制PLC、直接控制现场灯具、监控灯具运行状况、统计灯具运行时间等功能。该控制系统上位机软件使用C#语言编写，利用.Net技术提供的丰富资源，能够方便地实现上位机的各项功能。

该控制系统的控制策略主要是以时间为依据的，同时，针对高校教室使用时间的特殊性，该设计提出了基于课表时间来控制各个教室灯具工作的方法。其基本思想为，根据该教室的课表时间数据，当系统判断当前教室处于上课时间时，将控制灯具工作，处于下课时间时，在一定的预留时间之后，便自动关闭灯具。

上位机软件的基本工作流程如图3所示。

4.1 人机交互界面设计

上位机交互界面如图4所示。在该界面上，用户可以方便直观地输入课表数据，也可以直接对现场的灯具进行开关控制。

4.2 现场照明灯具监控

上位机作为控制系统的监控平台，能够监测现场灯具的使用状态，使工作人员能够在平台上直观地了解现场各灯具的开关状态及工作时间，当灯具工作时间超过其寿命时，系统将提出警报，提示工作人员进行更换。监控功能的工作流程如图5所示。

要实现监控灯具状态的功能，需要上位机软件不断地查询PLC线圈的开关状态。可以使用Modbus协议的第1号功能，该功能能够读取PLC的数字量输出口的开关状态，发送欲读取的输出线圈地址及线圈数量，PLC成功接收数据后便能返回对应的线圈的状态。上位机监控界面如图6所示。

5 结语

该设计在广州某高校教学楼一50人中小型教室进行了一个月的测试，测试结果显示，在未使用该系统之前，该教室灯具的平均每日使用时间为10.3小时，使用该系统之后，灯具的平均每日使用时间为8.6小时，有效降低了灯具的不必要工作时间。教室使用灯具为36W日光灯，按当地非高峰期用电电费0.61元/千瓦时计算，每个教室每月节省电费约为10元。当高校教室较多，系统长期投入工作的情况下，节能量较为可观。因此，该系统起到了节能降耗，减少工作人员工作量的作用，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 薛莲同.大型建筑智能化照明远程控制系统设计[J].电气应用，2014（24）：119-123.

[2] 胡春玉.楼宇绿色智能照明系统的研究[J].电气应用，2014，33（22）：119-123.

[3] 姜涛.高校教室节能照明改造与设计[J].照明工程学报，2014，25（5）：40-45.

[4] 王飞翔.我国办公建筑的照明节能评价方法的探索[J].照明工程学报，2014，25（3）：50-57.

[5] 徐进.智能化照明系统的研究[J].照明工程学报，2010，21（2）：15-19.

[6] 孙宗智.一种智能照明控制系统方案的研究[J].信息技术与信息化，2010（1）：53-55.

[7] 杜世成.智能控制系统在照明中的应用[J].电源技术，2013，37（6）：1052-1054.

[8] 沈瑞珠.智能照明系统在智能建筑中的应用[J].低压电器，2002（5）：20-22.

作者：邹恩

教室照明智能控制论文篇3：

基于单片机的教室节能控制系统设计研究

摘要:目前,高校教室照明系统存在严重电能资源浪费现象,在这种背景下对高校教室现有的能源资源调配管理系统进行技术升级改造研究就显得非常重要。本文设计了一套基于单片机和CAN总线的高校教学楼教室节能控制系统,通过传感器将教室内部的光照强度、人员数量等信号数据采集到单片机系统中,由单片机实现教室灯光等资源的合理调配节能经济控制管理,从而达到节电节能经济运行的技术升级改造目的。

关键词:单片机高校教室节能降耗

按照教室等公共区域的照明设计规范可知,教室照明功率密度通常按照10W/m2进行设,也就是说如果一个标准教室按照96m2进行设计,则按照其照明系统从早晨8点到晚上9点正常运行13个小时,每个教室每个教学年度按160kw·h,整个学校共有210间教室进行计算,如果采用相关先进控制技术手段将其照明系统的节电能力提高30%,则全年大约可以节约电能资源2.28×105kw·h,如果按照单位电能0.5元进行计算,则全年可以节约电费额为12万元左右,而且上述估算分析中还没有考虑教室照明系统的线损、灯具使用寿命等因素,因此,对教室照明系统等进行节能技术升级改造,其所获得的经济效益十分可观,是学校教室建筑节能降耗研究的一个重要内容。

1 教室灯光节能控制器控制简介

从整个系统的功能效果来看,其系统的输入参数主要是教室内人体存在信号、环境温湿度、光照强度等特征信息当量,即在教室检测到有人存在时,结合环境温湿度、环境光照等外部因素,动态判断是否开启灯光系统以及照明灯具相互节能匹配方案等;当环境光照等满足教室照明规范需求时,就会控制灯具不打开,即只有当教室内存在学习人员且外部环境光照强度参数达到某种阈值条件以下时,并在内部计算分析判断合理调节照明灯具开启匹配方案,达到教室照明灯光高效稳定节能运行效果。

2 教室灯光节能控制系统总体设计方案

本文设计的教室灯光节能控制系统以PIC18F458单片机作为教室检测控制单元的核心控制器,然后通过RS-485通讯线将同一楼层的教室节能控制检测控制单元1～n有机互联起来,然后通过CAN总线将楼层控制单元1～n与教室资源综合调配管理中央计算机单元进行有机互联起来,实现对教室内部灯光等资源的高效合理动态调配管理.教室检测控制单元主要由PIC系统的PIC18F458单片机为控制核心,实现对教室用电电气设备运行状况、教室温湿度、光照强度、以及学习交流学生人数等信息的动态采集,并利用King View6.5在教学楼中央计算机单元上为教室管理人员提供一个全中文、数字化、图形化、以及动态化的教室资源统筹调配监控界面,大大提高了系统的人性化服务水平。

3 教室灯光节能控制器的设计

教室检测控制单元是整个教室节能控制智能化调节管理系统中重要的核心组成部分,一方面,其应对教室内部各种监控对象的数据信息进行动态采集、实时运算分析处理、存储等功能;另外还要与楼层相关控制单元进行实时数据信息通信共享。

3.1 硬件选型设计

3.1.1 单片机选型

考虑到智能教室资源节能调节控制系统所要求的自动智能化集成度高、可靠性强、功耗低、以及操作维护方面等特点,本次设计选用美国Microchip公司自主研发的PIC系统单片机中的PIC18F458单片机。该单片机具有哈佛总线通信结构、精简指令集(RISC)控制技术、运算分析速率高、驱动能力强等优点,非常适合与工业控制、仪器仪表精确控制、家用电器智能控制等领域。

3.1.2 光照信号采集单元选型

从大量关于光电管、光祸合器、以及光敏电阻等光电探测器性能研究成果表明,光敏电阻所具有的光谱响应峰值与人视觉敏感区的光波长非常接近;而且当外部光照强度发生减弱时,光敏电阻所具有的响应时间也会相应增加,这于教室灯光控制系统在光照强度发生变化时,其输出状态保持功能需要加强较为匹配,因此,本次设计选用光敏电阻作为教室光照强度的主要采集和处理单元。

3.1.3 红外数据的采集与处理单元

以红外传感器为核心构筑教室内部学习人数信号采集与处理子系统,不仅具有成本低、电路结构清晰简单等特点;同时还可以将教室人数作为教室内部照明系统灯具数量控制方案的重要数据依据,以实现对教室内部资源的合理节能调配管理。

3.2 软件编程设计

由于教室节能控制系统是一个集信号采集、信号传输、以及智能化节能调节等功能为一体的复杂系统,其软件编程是一个非常重要的部分。限于文章篇幅,文中不对所有部分进行一一详细阐述,只对光照强度采集电路和红外数据采集处理电路的软件设计进行分析。

3.2.1 光照强度采集电路软件设计

单片机光照信号光敏传感器采集电路部分的软件设计的主要任务在于通过光敏传感器对教室内的光照强度数据信息进行采集和动态分析处理。

3.2.2 红外数据采集处理电路软件设计

采用红外传感器动态测量教室内的实时学生学习人数,从而获得最优的照明灯具控制方案,其具体软件流程如图1所示。

4 上位监控系统设计

教学楼中央计算机单元作为整个教室资源节能控制系统的上位监控机,其正常运行时教室内部能源资源的实时数据信息运算分析、存储等程序,均通过CAN总线与教室节能检测终端控制器进行实时通信,实现教室资源的动态节能智能化调度管理。

5 结语

本文从教室能源节能高效调配管理目的出发,结合单片机技术、先进检测与控制技术等,构筑了基于PIC18F458单片机的教室资源动态节能调配管理系统,从而大大提高了教室资源的能源利用效率,减少了电能资源的浪费,达到高效教室资源节能降耗技术升级建设改造目的。