阶梯教室智能照明系统设计

冯浩瀚

（华北理工大学 人工智能学院，河北 唐山 063210）

0 引 言

目前，大学的照明系统依赖于人为的开关，由于管理落后，易造成“人走灯亮”等问题，增大了校园电量消耗。如何高效地利用资源是目前急需解决的问题。本方案以华北理工大学为例，研究阶梯教室的照明问题，通过对照明系统的改进，消除“长明灯”现象，实现能够根据光照度自动化开灯，将教室区域化，根据每一区域是否有人决定是否开灯，让校园变得智能化，同时满足学生的日常学习需要和高校节能环保理念，更好地利用电能。

1 阶梯教室照明现状分析

1.1 光照度定义

照度全称为光照度，又名照度均匀度，表示被光照到的物体表面单位面积上受到的光通量面积，单位为“勒克斯”，简称“勒”，用单位符号“lx”表示，1勒克斯等于1流明/平方米，即被光照到的物体表面每平方米的面积上，受距离1 m、发光强度为1坎德垃的光源垂直照射的光通量。按照我国《建筑照明设计标准》规定所示，华北理工大学阶梯教室的标准光照度应达到300 lx[1]。

1.2 影响教室光照度的因素

1.2.1 天气因素

由于当日天气可能为晴天或阴天，不同的天气会影响教室的光照度。临近冬季，因供暖等原因空气质量下降，造成雾霾等问题使得光照度减小。造成学校冬季校采光不佳、光照度不足的天气原因主要有以下3个。

（1）唐山市冬季的PM2.5多为本地贡献，部分污染来自邻近城市输送。华北理工大学曹妃甸校区位于河北省唐山市曹妃甸新城，曹妃甸西部临近临近天津工业区，污染物从天津方向由高空向唐山输送[2]。

（2）曹妃甸工业区坐落于曹妃甸大学城附近，也存在着工业废气、燃料燃烧等污染物向空气排放现象，造成天气污染。

（3）曹妃甸区湿度高，冬季气温较低，多余的水汽与空气中的沙尘凝结成小液滴，形成大雾天气。

1.2.2 教室布局因素

高校教室需要同时兼顾教学质量和能耗环保两方面，因此在设计照明系统时就要对教室布局进行深入分析。以HE阶4教室为例，教室左侧平均分布6扇上旋窗，教室后方均匀分布3扇上悬窗。教室靠窗一侧光照充足，光照度测量值比非靠窗侧的数值大。天花板吊顶均匀，等距排列9×2根LED灯管。灯具全开时，前排座位因与天花板距离较远，光照度不如后排大，整个教室的光照度的大小从后排到前排逐级递减。当教室中的同学分布在前排座位时，也涉及灯具最优选择问题，当灯具离同学距离较近，应控制灯具的色温，防止同学们产生眩晕感。

1.3 灯具开关情况

智能照明系统以单片机作为主控单元，通过传感器判断教室内是否有人，用光敏电阻检测教室内部光照度大小，进而控制灯具的开关。为了对教室的灯具进行智能控制，需要选择相应功能的传感器，针对不同的开灯需求情况来进行检测。经过分析，需要开灯的情况主要是当教室某一区域有人且光照度不足时需将灯具打开。基于此，可选择带有光照度检测功能和带有检测是否有人功能的传感器[3]。

2 传感器的选择

2.1 光照度传感器的选择

本次方案设计选用控塞恩公司的RS-485型光照度传感器来检测教室内光照度，内部探测器采用可见光波段光敏二极管，感应光照强度并转为弱电信号，经过集成运放转换为电压信号进行输出。相比较网络上相同功能的光照度传感器，本次选择的产品有着经济实惠、防护水平好、精确度高等优点。

2.2 室内检测人体感应器的选择

检测人体感应器选择基于红外线技术的自动控制模块HC-SR501，其特点为灵敏度高、可靠性强、超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备。由于自身温度原因，人体会散发出波长约为1×10-5m的红外谱线，而人体红外传感器的作用原理是通过热释电效应探测该红外谱线，同时传感器内部装有菲涅尔透镜，可以将红外谱线聚集起来使其在热释电元件上成像。当有人进入感应器感应范围时，传感器探测到由人体发出的红外光谱与环境温度的不同，自动输出高电平，当人离开传感器范围时传感器探测环境温度停止输出高电平。传感器具有延时功能和感应封锁时间，可实现间隔探测物体的功能，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

3 传感器安放情况

3.1 传感器作用思路

本次教室智能照明系统的主要应用场景有：白天光照不足时，灯光需要自动打开；夜晚教室无人时，灯光需要关闭；教室人员稀疏时，不需要打开全部灯具；光照度不足时，需要开灯并检测出人员分布来控制开哪一部分（区域）的灯。通过以上场景分析即可将判断的逻辑概括为如图1所示的流程图。传感器获取室内灯光以及人员分布情况，若满足教室所需光照强度则无需开灯，不满足光照度标准将判断是否有人，如有人则进行下一判断，无人则进入延时环节，然后返回第一步重新进行判断，当获取结果为教室内有人且光照度不充足时灯具打开。

图1 传感器作用思路

3.2 教室布局

经测量，华北理工大学HE阶4教室长24 m，宽14 m，高5 m，空间较大。为获得较为准确合理的光照度数据，按照教室获得自然光的能力等级将教室划分为编号A～I共9个区域。靠窗区域接收自然光的能力最强，其他区域采光能力依次递减。

3.3 光照度传感器的安装

由传感器作用原理和教室的布局可知，教室不同位置对光照强度有着不同程度的需求。首先在上述划分的9个区域各安装一个光照度传感器，对各区域的光照度进行采集储存，进行下一步处理，决定是否开启照明设备。然而此时存在一个问题：光照度传感器在接受外界自然光的同时，也会受其他打开灯具的影响，当外界光照强度不足时传感器采集到信息使得灯具开启，这时灯具开启的灯光反过来会影响传感器的光照度采集结果，造成灯具反复开关的问题，使灯具寿命减少，也会影响到教室内部正在进行教学活动或者自习的教师、同学。因此需要在窗外也安装1个光照度传感器，与屋内传感器形成级联结构。当窗外光照度传感器检测到光照度不足，再由下一级室内光照度传感器进行信息采集，如灯具开启则进入延时单元，一定时间后，再次由室外光照度传感器进行光强检测。

3.4 人体红外传感器的安装

HC-SR501传感器具有价格低、使用方便、反应灵敏等优点，但是也存在精确度低的缺点，不能实现对某一个人的精准捕捉，只能实现对某一特定区域的检测。本次方案设计本着经济实惠、测量准确的理念，没有在每一个座位都安装人体感应器，而是将人体红外传感器安装在教室划分的9个区域中。本次使用的红外传感器的探测距离为10 m（室温25 ℃），根据教室的尺寸，可以将红外传感器安装到9个区域的天花板上，每行传感器间的距离约为3.3 m，每列传感器间的距离为8 m，该种布置方案也符合教室灯具的安装布局。当传感器检测到该区域有人，则输出高电平，将信号实时传给系统的下一级，根据光照度判断是否将灯具打开。

4 节能灯具选择

4.1 蓝光的危害

蓝光是指由光源发出的波长约400～480 nm具有相对较高能量的谱线，该波长范围内的蓝光可引起眼睛疲劳，对视网膜造成损伤。教室中若蓝光含量过高，会降低学生的学习效率，增加学生患近视的风险[4]。传统的LED灯具与三基色荧光灯相比有更高的蓝光含量。

4.2 灯具选用

灯具的使用寿命方面，LED灯寿命大约为50 000 h，荧光灯寿命大约为20 000 h。LED灯的灯光较为刺眼，蓝光含量较大，如教师和学生在教学活动中长时间使用，易造成脑部疲劳与视觉疲劳。相比之下，荧光灯灯光柔和，适合在学生长时间学习的教室中使用。因此可采用LED灯为主要照明灯具，安置于前排与天花板距离较远的区域，而将荧光灯管用于与天花板距离较近的后排座位区域[5]。

5 供电方案

5.1 电源设计

电源供电采用教室中的220 V插座进行供电，该种方式经济实惠，排线简单。系统接入220 V交流电，经过变压器将高压转换为低压交流信号，因传感器及光敏元件等对周围环境条件较为敏感，所以要在设计中加入抗噪声环节，接入桥式单相整流和滤波电路将高次谐波滤除，最后接入7805三端稳压器，以得到稳定干净的直流电压，给主控及传感器供电[6]。

5.2 接线方式

接线方面，采用M-BUS总线结构。M-BUS总线属于局域网（Local Area Network，LAN）类型，适用于一座或多座教学楼中连接传感器与监控设备进行数据传输，具有传输距离远、实时性强等特点。该种结构能够兼顾供电和通信传输数据两种功能，适合本方案中的光照度传感器和人体红外传感器。将每个传感器与总线端相接，将接线放置在天花板吊顶里。采用该种布线方法，线缆布置随意、兼容性好、抗干扰能力强，当某一传感器损坏、需要更换时，该种方案设计也使得传感器的更换易于操作，具有一定的独立性。

6 结 语

目前，人工控制灯具开关的方式仍有较大的局限性，对灯光的控制不能做到准时、准确，同时也十分依赖于学生、教师的自觉性。随着高校规模的扩大，教室数量日益增多，这种传统的管理机制已经落后于时代，不利于校园的长远发展。相对于传统的人工控制灯具开关的方式，智能照明系统在占地面积较大的阶梯教室中的作用效果十分明显，可以根据光照度来进行室内光亮调节，教室不同区域传感器采集自然光不足时自动开启灯具，缓解师生视觉疲劳，方便学生学习、教师开展教学活动，体现了高校的管理水平，同时也减少了高校的能源浪费，节省大笔电力开销，加快现代化校园建设，有利于建成绿色、现代化智能化校园。