基于ZigBee的教室智能照明系统

发布时间：2022-03-04

　　摘要: 针对日益严峻的高校照明能耗问题，进行教室照明方式转化的调查和可行性分析。与传统照明相比，智能照明具有能耗低的优势，设计了基于 ZigBee 的教室智能照明系统，通过三级管控体系、四重控制策略，进行分区域、多模式的个性化控制，既可满足照明舒适度，又可实现节能降耗目标。系统还具有与移动端关联、单灯单控、无线组网等特点，提高了工作效率。

　　关键词: ZigBee; 可行性分析; 个性化控制; 智能照明

　　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 40 W 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。

　　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。

　　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]。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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]。

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　　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。

　　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]。

　　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。

　　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 ZigBee 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。——论文作者：何 林，赵瑞瑞，张 慧，张 菡，刘品杰，张 昊，魏建平

　　参考文献:

　　[1] 郑文楷，谭柏鸿，林晓虹，等. 基于 ZigBee 和人脸 检测的灯光控制系统[J]. 现代信息科技，2019，3 ( 1) : 43 - 45.

　　[2] 周志敏，纪爱华. 太阳能 LED 路灯设计与应用[M]. 北京: 电子工业出版社，2009.

　　[3] 刘为芹. 高校教室照明节能控制系统的研究[D]. 聊城: 聊城大学，2017.

　　[4] 周波. 基于 ZigBee 的无线智能路灯控制系统的设计与实现[D]. 成都: 电子科技大学，2019.

　　[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑照明设计标准: GB 50034—2013 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2014.

　　[6] CIE S 008 Lighting of Work Places - Part 1: Indoor[S]. Vienna，2001.

　　[7] 康通博，徐国平，闫旺. 基于物联网的地下车库智能 LED 节能照明系统[J]. 节能与环保，2014 ( 2) : 64 - 66.

　　[8] 俞建. 基于 ZigBee 无线传感网络的 LED 智能照明控制系统的研究[D]. 杭州: 浙江工业大学， 2012.

　　[9] 陈焕，范铠，汪正祥. ZigBee 与其他短距离无线通信技术比较及其应用[J]. 信息技术，2015，39 ( 5) : 180 - 183.

　　[10] 曹箫洪. 基于 Zigbee 技术的室内照明控制方式及系统配置[C]/ /2017 年中国照明论坛———半导体照明创新应用与智慧照明发展论坛，2017.

　　[11] 杨汉祥，张琦. 红外计数器的设计[J]. 科技广场，2009( 7) : 187 - 190.