基于ZigBee的教室智能照明系统

何 林，赵瑞瑞，张 慧，张 菡，刘品杰，张 昊，魏建平

（山东建筑大学 热能工程学院，济南250100）

近几年，高校招生人数不断增长，照明耗能所占比重越来越大，据调查，照明能耗约占学校总能耗的24%。多数高校照明以人工管理为主［1］，由于节能意识、责任意识淡薄，教室长明灯、人走不关灯、光照充足仍亮灯等现象普遍存在，高校教室照明用电浪费严重。另外，传统教学楼照明系统的节能改造存在安装复杂、布线多、成本高等诸多困难。

基于此，对山东建筑大学博文楼进行调研，将无线通信技术和智能控制技术引入照明节能控制系统，设计一套基于ZigBee无线传输控制技术的教室照明节能控制系统，即LED灯＋智能照明控制系统。采用LED灯代替传统的荧光灯，照明系统为三级管控系统，一级为控制中心、二级为教室控制器、三级为灯光控制器，安装光照强度传感器、红外人数检测器两个感应元件，与教务系统融合以获取教室使用状况信息。各控制部分之间采用ZigBee技术无线通信。控制系统以光照度为主要控制条件，以人数、教室使用情况、时间为辅助控制条件，防止“长明灯”“人走不熄灯”等现象，充分利用自然光，达到有效节能。

所设计的智能节能照明系统，不仅能减少能源浪费，还能满足不同场景下照明舒适度的需求，提高办公效率。

1 可行性分析

以山东建筑大学博文楼为调查模型，对方案A（普通荧光灯＋传统照明）、方案B（LED灯＋传统照明）、方案C（LED灯＋基于ZigBee的智能照明）进行比较分析。

博文楼现有教室69间，共计3 592根荧光灯管，每根灯管功率40 W。传统照明每灯每天平均照明13 h，而LED是一种光效高、耗能少、寿命长达10万h的新型照明技术［2］，14 W的LED灯与40 W的荧光灯亮度接近，若用C方案，平均每日每灯可少开5 h左右。

对前十年的成本、电费、总额进行计算：方案A 40W荧光灯＋镇流器约20元；方案B 14 W LED约18元；方案C 14 W LED＋ZigBee模块约58元。设备平均寿命为8年，在第9年需对A、B、C更换设备。各方案具体费用比较见表1。

表1 各方案具体费用比较

通过计算，方案A每学年能耗为517万kW·h，方案B为18万kW·h，方案C为11万kW·h，方案C能耗仅为A的21.5%。据表1和图1，以10年为期，第1年，方案B和C较方案A盈利，方案C的初期投资较高，但随技术的发展，C的成本逐渐降低。经计算，第5年C开始比B盈利，第9年更换设备后，C仍比B盈利，并且C远远比A节能，与B类似，但较B提供了更个性化的照明方案和智能化的控制手段，在人力和管理费用方面，节省很多。综上，C为最佳方案。

图1 各方案前十年每年费用总额

2 方案设计

2.1 整体方案设计

系统用控制中心集中管理、网关与灯光控制器分散控制、光照度传感器与脉冲计数器采集的方式，实现“管理、控制、运营”一体化，根据光照度、时间、人数、教室状态4个控制条件，用ZigBee传递信息给一级、二级、三级设备（见图2）。系统可远程监视、自动报警［3］、控制、诊断。系统楼层交换机与控制中心用原有校园网络连接，形成树状拓扑［4］。

图2 教室照明节能控制系统结构

2.2 控制策略设计

1）光照度条件。白天，若某灯具光照度＞300 lx［5］，则灯“关”，否则，依教室人数确定启闭。采用最大值标记法控制灯具，如图3所示。讲台上的灯可受指令或光照条件控制，无课时关闭。

图3 教室灯具状态图

2）人数条件。根据教室人数与自然光照条件，确定灯具的启闭。根据教学楼总人数与上课人数确定自习教室开放情况，减少多余自习教室的开放，节省能源。

3）时间节点条件。时间节点分为白天（7：00—18：40）、晚上（18：40—22：00）和休眠（22：00—7：00）。白天为上课模式，晚上为自习模式，晚上22：00后，进入休眠状态。

4）教室使用状态条件。将教室分为有课教室和自习教室。有课教室不仅接受一级网关控制器的控制，还可由教师自主控制，分为投影仪授课模式、板书授课模式、观影模式、练习模式等。

照明智能系统的控制特点：

个性化场景控制。国际照明委员会（CIE）在《室内工作场所照明》中指出，光环境应关注照度、亮度分布、眩光等指标［6］。为提升教室内各种场景的照明舒适度，教室控制器预置4种模式（见图4），还可根据习惯和需求自定义。

图4 控制面板场景控制模式图

分层分区域。将教学楼按楼层分层，教室按有课无课分区，教室内据自然光条件分区，优先开放低层、自然光照好的教室和区域。

移动端。如图5所示，可用手机实时了解自习教室人数信息等，提高工作效率。

图5 移动端设计图

单灯单控。赋予每盏灯唯一的身份标识［7］，按需智能控制，较传统的整排控制方式更灵活。

无线组网。采用ZigBee灯控器，无需布线，只需简单替换镇流器即可，解决了传统有线方式布线繁琐、扩展性差、功能单一等问题［8］。

采用ZigBee无线传输。与NB－IOT、蓝牙、WiFi等无线技术相比，ZigBee具有协议免费、功耗低、自组网、动态路由、自愈能力强、数据传输安全性高等优点［9］。互联照明联盟向照明业界推荐ZigBee Light Link标准，能轻松实现不同公司产品之间的互联互通［10］。

2.3 硬件设计

1）灯控器原理。通过光照采集电路获取光照度信息，继电器控制灯具启闭，附设按键电路、LED电路、蜂鸣电路进行人机交互，如图6所示。

图6 灯管单片机控制模块

2）红外人数检测原理如图7所示，利用被检测物对光束的遮挡或反射检测有无物体［11］。

图7 红外人数检测原理图

2.4 软件设计

人数检测程序、教室网关程序、强制模式程序流程如图8、图9、图10所示。

图8 双线红外检测流程图

图9 网关控制流程图

图10 强制模式程序流程图

3 结论

以山东建筑大学博文楼为模型，对A、B、C 3种方案的分析得出，方案C在经济性、节能性和易用性方面具有显著优势。教室照明智能系统的设计基于Zig-Bee通信技术，采用三级管控体系、四重控制策略，以LED灯代替传统荧光灯，对教室分区域、多模式控制，实现了照明节能的最大化。系统还能实现不同场景照明，并可与移动端关联，提高师生的办公学习效率。