安科瑞 繆凱倫

摘要：針對室內不同區域對于光照強度的不同要求，設計了一個利用STM32作為控制器的教室智能照明控制系統，能夠依據室內照明強度以及室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態的調整。結果表明，該系統既可以保證教室內的光照強度充足，又不會造成電力浪費。

關鍵詞：教室智能照明控制系統；照明節能

0. 引言

在學校的每個教室里，照明設備都是*的。然而，有時會見到某個空無一人的教室燈火通明，或者在白天室外陽光強烈，無需開燈的情況下，教室里的燈卻開著。這些情況都造成了很大的浪費。因此，教室智能照明控制系統要能夠依據室內光照強度以及室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態的調整，既使得教室內的光照強度充足，又不會造成電力浪費。

1. 系統的總體設計

教室智能照明控制系統一般包括室內環境信息采集模塊、核心控制模塊、驅動電路以及LED燈。系統總體機構圖如圖1所示。其中室內環境信息釆集模塊負責把系統需要輸入信息，也即教室內的光照強度以及教室內人員分布情況傳輸給以STM32芯片為核心的控制模塊。控制模塊再依據接收到的信息，將輸入的信息轉換成教室內各區域所需的亮度值,從而得到各個驅動單元所需的控制信號。驅動模塊依據控制器發來的控制信號控制教室內各照明區域的LED燈的亮度，從而實現智能的、實時的調光。

2. 硬件設計

2.1信息采集模塊設計

2.1.1室內光照強度采集

為了實時釆集教室內部光照強度，按照距離窗口的遠近把教室分為六個區域，如圖2所示。每個區域均安裝一個照度傳感器，對該區域的光照強度進行釆集。并將釆集到的光照強度信息傳遞給控制模塊進行后續處理。當照度傳感器探測到自然光照度充分時，則會關閉照明設備，反之則開啟照明設備。

2.1.2室內人員分布情況釆集

室內人員分布情況采集的方案有很多，比較常用方法有兩個，一是利用人體紅外傳感器進行釆集，二是利用視頻監控進行釆集。一種方法的優勢在于人體紅外傳感器價格低廉，信號處理簡單。然而，缺點也很明顯，人體紅外傳感器不容易實現人員的準確定位，不能獲取到教室內人員的具體位置信息，而且人體紅外傳感器受環境溫度影響較大，容易出現感應不靈敏的現象。二種方法的優勢在于，視頻監控可以實現人員準確定位，實時監測教室內人員分布情況，但是該方法成本太高，后續信息分析和處理比較復雜。

因此本系統不釆用上述兩種常用方法，而是利用在教室內每個座椅上安裝紅外探測器來實現人員分布情況監測。當有人坐在座位上時，紅外探測器發出信號，并傳輸給控制單元。控制單元可以依據每個座位釆集到的信息，判斷該座位上是否有人，實現實時的，準確的獲取人員在教室內的分布情況。

2.2控制模塊設計

在教室智能照明控制系統中，控制模塊是核心模塊，一方面可以接收信息釆集單元收集到的相關信息，例如光照傳感器釆集到的室內光照信息和紅外傳感器釆集到的室內人員分布 信息。另一方面，控制單元可以把這些釆集到的信息進行相應的處理，輸岀調光控制指令，并傳輸給驅動模塊。驅動模塊就可以對教室內各區域照明設備的亮度進行調節了。

普通教室按照圖2劃分為6個不同的照明區域，因此需要 控制器能夠同時連接6個驅動模塊，并能夠輸出6路調光信號，分別控制教室內每個區域的照明設備的亮度。本系統釆用了STM32F103ZET6作為控制的核心芯片，該芯片能夠輸出多路PWM信號而且功耗較低。

2.3驅動模塊設計

STM32芯片不能對LED燈進行直接控制，因此本系統選擇DRIVE-SW12的LED恒流驅動模塊對LED燈進行驅動。該驅動模塊可以將控制模塊輸出的調光控制信號，也即PWM 占空比，轉化為相應的電壓值,從而達到調光所需的亮度值，從而實現調光的目的。

3. 軟件設計

系統整體控制流程首先是各模塊的初始化，其次獲取室內光照強度和人員分布情況信息，然后依據《建筑照明設計標準》中對居住建筑的照明標準的要求,計算出教室各區域還需要調整的光照強度值，把需要調整的光照值轉化為控制信號輸出，從而依據控制信號對教室各區域LED的光照強度進行調整，延時一段時間后再次依據室內光照強度和人員分布情況

對各區域LED燈的光照強度進行調整。其詳細流程圖如圖3室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態的調整，從而達到節能環保的目的。

4.安科瑞為教室智能照明控制系統提供方案

4.1安科瑞智能照明監控系統采用分層分布式結構，即站控層，通訊層與間隔層； 如圖（1）所示：

圖（1）網絡拓撲圖

間隔設備層主要為：開關驅動器，這些裝置分別對應相應的一次設備安裝在電氣柜內，這些裝置均通過現場KNX總線組網通訊，實現數據現場采集。

網絡通訊層主要為：智能照明網關，其主要功能為把分散在現場采集裝置集中控制，同時遠傳至站控層，完成現場層和站控層之間的數據交互。

站控管理層：設有高性能工業計算機、顯示器、UPS電源、打印機等設備。監控系統安裝在計算機上，集中采集顯示現場設備運行狀況，以人機交互的形式顯示給用戶。 以上開關模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡單方便，傳輸距離可達1.2km。

4.2安科瑞智能照明系統組成

1. 定時控制

通過時鐘管理器，實現整個系統的有關區域照明的定時和自動管理功能，實現公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫照明定時控制。如百葉窗定時升降、集中供熱定時調節、節假日照明定時關閉、定時通知等。

2. 場景控制

智能照明控制系統根據各個部門的需求，設定不同種類的場景模式，進行各種照明燈光的組合，達到美化工作環境的效果；結合人體感應傳感器，當人員離開時，關閉所有該會議室照明。

3. 實時監控

控制室，配置一臺中控主機，所有照明控制設備，通過KNX網關，接入監控系統，操作管理人員，可以通過中控電腦，實時監視總線、區域、樓層、樓棟等照明狀態，并可根據需求進行控制調整。系統繪圖工具支持向量圖和多層頁面，圖形頁面縮放方便，切換簡單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。

4. 報警處理

系統提供了警報處理能力，用戶可采用編程來完成不同的任務，當某種警報條件出現時應做什么，可由用戶自行確定。

5.事件通報 系統提供了事件通報功能，支持郵件通報、文本輸出以及事件驅動打印，可按照用戶預先設置的條件，觸發事件通報功能。

4.3設備選型

5.結束語

教室不同區域對于光照強度有不同的要求，據此，本文設計了一個教室智能照明控制系統,能夠依據室內照明強度以及強度和人員分布情況信息，然后依據《建筑照明設計標準》 中對居住建筑的照明標準的要求,計算出教室各區域還需要調整的光照強度值，把需要調整的光照值轉化為控制信號輸出，從而依據控制信號對教室各區域LED的光照強度進行調整， 延時一段時間后再次依據室內光照強度和人員分布情況對各區域LED燈的光照強度進行調整。其詳細流程圖如圖3 室內人員分布情況對教室內光照強度進行實時，動態的調整，從而達到節能環保的目的。

參考文獻：

[1]王峰.建筑電氣照明節能技術分析[J].能源與環境,2018(05):39-40.

[2]企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.

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[4]高燕，陳小輝，鄭歡歡.教室智能照明控制系統的設計.