智能教室教学设备(浅析教室智能照明控制系统的设计)

Posted 2023-05-29

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智能教室教学设备(浅析教室智能照明控制系统的设计)

安科瑞于洋周洁

摘要：针对室内不同区域对于光照强度的不同要求，设计了一个利用STM32作为控制器的教室智能照明控制系统，能够依据室内照明强度以及室内人员分布情况对教室内光照强度进行实时，动态的调整。结果表明，该系统既可以保证教室内的光照强度充足，又不会造成电力浪费。

关键词：教室智能照明控制系统；照明节能

引言

在学校的每个教室里，照明设备都是不可或缺的。然而，有时会见到某个空无一人的教室灯火通明，或者在白天室外阳光强烈，无需开灯的情况下，教室里的灯却开着。这些情况都造成了很大的浪费。因此，教室智能照明控制系统要能够依据室内光照强度以及室内人员分布情况对教室内光照强度进行实时，动态的调整，既使得教室内的光照强度充足，又不会造成电力浪费。

系统的总体设计

教室智能照明控制系统一般包括室内环境信息采集模块、核心控制模块、驱动电路以及LED灯。系统总体机构图如图1所示。其中室内环境信息釆集模块负责把系统需要输入信息，也即教室内的光照强度以及教室内人员分布情况传输给以STM32芯片为核心的控制模块。控制模块再依据接收到的信息，将输入的信息转换成教室内各区域所需的亮度值,从而得到各个驱动单元所需的控制信号。驱动模块依据控制器发来的控制信号控制教室内各照明区域的LED灯的亮度，从而实现智能的、实时的调光。

硬件设计

2.1信息采集模块设计

2.1.1室内光照强度采集

为了实时釆集教室内部光照强度，按照距离窗口的远近把教室分为六个区域，如图2所示。每个区域均安装一个照度传感器，对该区域的光照强度进行釆集。并将釆集到的光照强度信息传递给控制模块进行后续处理。当照度传感器探测到自然光照度充分时，则会关闭照明设备，反之则开启照明设备。

2.1.2室内人员分布情况釆集

室内人员分布情况采集的方案有很多，比较常用方法有两个，一是利用人体红外传感器进行釆集，二是利用视频监控进行釆集。一种方法的优势在于人体红外传感器价格低廉，信号处理简单。然而，缺点也很明显，人体红外传感器不容易实现人员的准确定位，不能获取到教室内人员的具体位置信息，而且人体红外传感器受环境温度影响较大，容易出现感应不灵敏的现象。二种方法的优势在于，视频监控可以实现人员准确定位，实时监测教室内人员分布情况，但是该方法成本太高，后续信息分析和处理比较复杂。

因此本系统不釆用上述两种常用方法，而是利用在教室内每个座椅上安装红外探测器来实现人员分布情况监测。当有人坐在座位上时，红外探测器发出信号，并传输给控制单元。控制单元可以依据每个座位釆集到的信息，判断该座位上是否有人，实现实时的，准确的获取人员在教室内的分布情况。

2.2控制模块设计

在教室智能照明控制系统中，控制模块是核心模块，一方面可以接收信息釆集单元收集到的相关信息，例如光照传感器釆集到的室内光照信息和红外传感器釆集到的室内人员分布信息。另一方面，控制单元可以把这些釆集到的信息进行相应的处理，输岀调光控制指令，并传输给驱动模块。驱动模块就可以对教室内各区域照明设备的亮度进行调节了。

普通教室按照图2划分为6个不同的照明区域，因此需要控制器能够同时连接6个驱动模块，并能够输出6路调光信号，分别控制教室内每个区域的照明设备的亮度。本系统釆用了STM32F103ZET6作为控制的核心芯片，该芯片能够输出多路PWM信号而且功耗较低。

2.3驱动模块设计

STM32芯片不能对LED灯进行直接控制，因此本系统选择DRIVE-SW12的LED恒流驱动模块对LED灯进行驱动。该驱动模块可以将控制模块输出的调光控制信号，也即PWM 占空比，转化为相应的电压值,从而达到调光所需的亮度值，从而实现调光的目的。

软件设计

系统整体控制流程首先是各模块的初始化，其次获取室内光照强度和人员分布情况信息，然后依据《建筑照明设计标准》中对居住建筑的照明标准的要求,计算出教室各区域还需要调整的光照强度值，把需要调整的光照值转化为控制信号输出，从而依据控制信号对教室各区域LED的光照强度进行调整，延时一段时间后再次依据室内光照强度和人员分布情况

对各区域LED灯的光照强度进行调整。其详细流程图如图3室内人员分布情况对教室内光照强度进行实时，动态的调整，从而达到节能环保的目的。

4.安科瑞为教室智能照明控制系统提供方案

4.1安科瑞智能照明监控系统采用分层分布式结构，即站控层，通讯层与间隔层；如图（1）所示：

图（1）网络拓扑图

间隔设备层主要为：开关驱动器，这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均通过现场KNX总线组网通讯，实现数据现场采集。

网络通讯层主要为：智能照明网关，其主要功能为把分散在现场采集装置集中控制，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。

站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户。以上开关模块均采用KNX总线传输，一般都采用4根连线，接线简单方便，传输距离可达1.2km。

4.2安科瑞智能照明系统组成

定时控制

通过时钟管理器，实现整个系统的有关区域照明的定时和自动管理功能，实现公共通道、景观照明、泛光照明、车库照明定时控制。如百叶窗定时升降、集中供热定时调节、节假日照明定时关闭、定时通知等。

场景控制

智能照明控制系统根据各个部门的需求，设定不同种类的场景模式，进行各种照明灯光的组合，达到美化工作环境的效果；结合人体感应传感器，当人员离开时，关闭所有该会议室照明。

实时监控

控制室，配置一台中控主机，所有照明控制设备，通过KNX网关，接入监控系统，操作管理人员，可以通过中控电脑，实时监视总线、区域、楼层、楼栋等照明状态，并可根据需求进行控制调整。系统绘图工具支持向量图和多层页面，图形页面缩放方便，切换简单，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等图形对象的嵌入、支持二维、三维图元的绘制，增加可视化的空间效果。

报警处理

系统提供了警报处理能力，用户可采用编程来完成不同的任务，当某种警报条件出现时应做什么，可由用户自行确定。

5.事件通报系统提供了事件通报功能，支持邮件通报、文本输出以及事件驱动打印，可按照用户预先设置的条件，触发事件通报功能。

4.3设备选型

5.结束语

教室不同区域对于光照强度有不同的要求，据此，本文设计了一个教室智能照明控制系统,能够依据室内照明强度以及强度和人员分布情况信息，然后依据《建筑照明设计标准》中对居住建筑的照明标准的要求,计算出教室各区域还需要调整的光照强度值，把需要调整的光照值转化为控制信号输出，从而依据控制信号对教室各区域LED的光照强度进行调整，延时一段时间后再次依据室内光照强度和人员分布情况对各区域LED灯的光照强度进行调整。其详细流程图如图3 室内人员分布情况对教室内光照强度进行实时，动态的调整，从而达到节能环保的目的。

参考文献：

[1]王峰.建筑电气照明节能技术分析[J].能源与环境,2018(05):39-40.

[2]企业微电网设计与应用手册.2020.06版.

[3]智能照明控制系统.2020.08版.

[4]高燕，陈小辉，郑欢欢.教室智能照明控制系统的设计.