基于LED的校园照明节能控制系统

摘 要： 设计了一套适用于高校校园的LED照明节能控制系统，包括LED恒流驱动电源、光照度检测模块、红外热释电传感模块、计数模块和GPRS无线通信模块等。配套了18 W T8型LED灯管和50 W面板型两种LED灯具，分别用于替换教室荧光灯和校园道路路灯。驱动电源通用性好，支持12 V和24 V两种直流输入电压，最大输出功率可达150 W，且输出电压自适应，使其能够兼容多种串并方式的LED灯具。该系统同样适用于博物馆、大型酒店、地下停车场等照明需求量大的应用场合。

关键词： LED照明； 节能控制系统； GPRS无线通信； RT8482芯片

中图分类号： TN710?34； TM910.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0156?04

0 引 言

相关统计表明，校园照明用电占学校总用电量的比重较大，且照明效果直接影响到学生及教职工的日常生活。目前，虽然各大学校园的照明系统基本上都满足照明需求，但大多存在不同程度的能源浪费问题。因此，在如今提倡节能环保的氛围下，对校园照明实施节能改造，采用智能新型照明控制系统将能源浪费控制到最低，是对学校发展提出的迫切要求。

针对目前高校教室照明灯具大多采用手动开关控制，经常出现的教室无人但灯具常亮现象，以及大多使用的荧光灯所造成的弊端：亮度单一不可调节，一定程度上造成了黑板和投影仪幕布反光，影响教学效果；荧光灯具会产生很强的直接眩光，容易引起用眼疲劳等问题，设计了一套适用于高校校园的LED照明节能控制系统。

1 系统设计基本原则

系统设计时，主要从以下五个方面考虑并采取合理的节能减排措施[1]：

（1） 高效电光源是照明节能的重要基础。目前，LED应用主要集中在信号指示、汽车灯具、景观照明和特殊照明等领域。随着对半导体发光材料研究的不断深入、LED制造工艺的不断进步、新材料的开发应用，制约LED发展的光效偏低和光通量成本偏高两大瓶颈问题得以解决，LED灯将凭借其节能、环保、安全、寿命长、色温弹性大、可控性强等特点及易于制作成点、线、面各种形式光源体的优势，大规模地应用于各种照明及其他领域。

（2） 选择合理的照度和照明方式。照度太低，起不到照明的作用；照度太高，既浪费电力资源，又造成光污染。在照明系统设计中，结合各个场所的具体视觉要求，确定照度标准值，同时照度设计留有一定裕量以补偿光源老化以及照明灯具积累灰尘后的光通量衰减。在满足照度标准的前提下，恰当地选用一般照明、局部照明及混合照明等照明方式来节约电力。

（3） 优化布设照明供电线路。照明线路的损耗约占输入电能的4%左右，供电距离相等、导线截面积相同的情况下，三相四线制线路供电与单相二线供电方式相比可减少线路损失85%，比两相三线供电方式的线路损耗也小得多，因此照明系统应尽可能地采用三相四线制供电。同时，尽量采用铜质导线，以降低损耗；尽量避免铜、铝导线直接连接，以免连接处形成较大的接触电阻而浪费电能。

（4） 合理布设控制开关并充分利用自然光。设计照明线路时应尽量细化，合理布设照明灯具的控制开关：一个开关控制的灯具数不宜太多，且开关位置安排要恰当，以便于随手开关灯。根据具体的应用需要，控制开关可以是一般通断开关、变电阻式调光开关，也可以是时控、光控或声控开关等。同时，在教室照明设计中最大限度地利用自然光。

（5） 采用智能照明控制系统。实现照明系统智能化控制既可以提高照明系统的控制和管理水平，减少照明系统的维护成本，同时节约电量以减少照明系统的运营成本。

2 设计实例

本文以苏州大学本部校区的教学楼（主要包括博远楼、怡远楼、鸿远楼、逸夫楼、卫校楼等）和主干校园道路（文星东路、文星西路、东吴路、晴岚路、清荫路、钟楼路、钟楼西路、钟楼东路等）照明系统的改造为例。

该校区主要教室照明灯具统计情况，见表1。

阶梯教室采用栅格灯具，单个灯具含2支T8荧光灯管，普通教室和活动室则采用单管T8荧光灯。此外，主干道路宽度约为5 m，现有灯具为单侧安装，灯杆高度4.2 m，间隔18 m。经统计，以上路段共有80 W紧凑型荧光灯142盏。

2.1 教学楼照明系统改造设计

以苏州大学本部普通教室为例，教室面积（长×宽）为8 m×7.5 m，地面与灯具之间的距离约为3.2 m。现以12盏18 W LED灯管代替原有12盏40 W单管T8荧光灯。根据平均照度的估算公式，改造前的平均照度为604 lx，改造后的平均照度为735 lx。在用电量减少约50%的情况下，照度提高了约20%。

教室照明控制系统以微处理器为核心，在手动调节LED灯具亮度的基础功能上，结合红外热释电模块、光照度检测模块、计数模块，实现根据输入的红外信号、光照信号和人数信号综合控制教室中日光灯的亮暗，以达到节能减排的目的。同时，微处理器通过GPRS模块与监控室交换数据，接收指令并上传相关参数。教室照明控制系统的原理框图，如图1所示。

手动调光单元，可根据照明亮度的实际需求，实现10%～100%范围内连续调光。红外热释电传感器安装于教室吊顶中央区域，计数模块安装于门的内外墙壁，为控制系统判断教室是否有人提供信号。光照度检测模块对于充分利用自然光至关重要，入射到教室的自然光较强时通过控制系统调节可适当降低照明亮度或者关断灯具电源，自然光较弱的阴雨天或傍晚，系统自动调节增加照明亮度。

2.2 校园主干道路照明改造设计

系统采用50 W面板型LED灯具替换校区主干道路上的原用80 W紧凑型节能光源，同时引入时控、光控和GPRS无线通信控制相结合的控制方式。时控方式简单易实现，通过微处理器定时控制路灯开关，但开启和熄灭时间相对固定，对校园节能不利并且不能根据季节自动调整；光控方式控制准确性较差，在天气条件不好的情况下容易误动作。本系统设计中，采用时控、光控和GPRS无线通信控制相结合的方式，利用光控法根据环境明暗情况自动调节路灯亮度，通过时控法实现深夜的隔盏换相照明方式，同时GPRS无线通信控制便于工作人员在监控室临时调整，既充分节约电能，又增加了系统的灵活性[2]。

2.3 各节点联网控制方案

当系统需要远程控制或集中控制时，可利用RS 485、CAN、LIN、DALI、EIB等网络通信技术，实现控制信号的远距离和无线传输。

GPRS是在现有GSM网络上开通的一种新型分组数据传输技术，具有“永久在线”、“快速登录”、“按量计费”、“自如切换”、“高速传送”和“安全可靠”等特点。本系统中，采用GPRS无线通信技术，实现教学楼中的LED照明节能控制系统和校园主干道路上LED路灯控制系统的组网控制，并与监控室建立无线网络连接，接收监控中心的指令，并且将检测到的数据或异常信息上传至监控室。系统节点联网控制示意图，如图2所示。

3 系统相关电路设计

3.1 LED驱动电路

在一定程度上，驱动电路的性能决定着系统的整体性能和寿命。目前，LED驱动一般采用两种方式：恒压驱动方式或恒流驱动方式。恒压驱动电路相对简单，以前LED光源大多采用此种驱动方式，但不利于保持LED光输出的稳定性。对于LED而言，其通过的电压和电流近似成指数关系，而电流和光通量近似成正比关系[3]。采用恒压驱动方式时，驱动电压轻微的扰动都会造成光通量大幅度的改变，LED电压即使只有几毫伏的升高，其正向电流会有较大的变化。因而，根据LED的V?I特性，要求驱动电路的输出具有恒流的特性，输出电压可自动调整以适应负载的变化，同时驱动电路需要具有较高的效率，并且具备过压保护、过流保护等措施。基于上述要求，本系统设计了一款基于RT8482芯片的大功率LED恒流驱动电路，具体电路如图3所示。该电路最大输出功率可达150 W，且其输出电压自适应，同时还具有过压保护、过流保护等功能，可满足大部分大功率LED应用领域需求[4?5]。

图3中，[U1]为升压恒流输出芯片RT8482，电容[C3]用作输入电源滤波，电阻[R8]与电容[C2]实现环路补偿，[C4]为软起动电容，[C5]为偏压电容，电感[L1]与肖特基二极管[D1]实现能量存储及升压输出，电容[C6]与[C7]用于输出电压的稳定滤波，功率电阻[R13～R16]与芯片电流检测端相结合实现负载电流测量，电阻[R9]与[R10]采取串联分压方式检测输出电压大小。[U1]中，EN引脚接入5～20 V电压时芯片工作使能，ACTL和DCTL端分别连接模拟调光和PWM数字调光信号。

3.3 红外热释电模块

红外热释电传感器在控制系统中用于判断教室人员活动情况：当红外热释电模块探测到教室内无人但照明灯具依然工作时，控制系统开始倒计时，在设置的延迟时间内未探测到有人进入教室，则自动切断教室内所有灯具的电源。该系统中，红外热释电模块采用BISS0001红外传感信号处理器，该芯片具有良好的传感信号集成处理能力，配以少量元器件即可构成被动式的红外热释电检测模块，加上菲涅尔透镜后，能够探测150°的圆锥范围，直线探测距离为5 m左右。

3.4 计数单元设计

系统设计中，采用两套计数单元用于实现人员进出教室判别。其中，一套安装于教室门外墙壁上，另一套安装在门内墙壁上，安装方向和墙面平行。通过监测两套计数传感电路的依次输出信号，实现计数并判断出入情况。

计数单元电路如图5所示。该模块采用一个激光头和一套光强检测电路，激光头发出的光直射在光强检测电路的光敏电阻上。当有人进出教室遮挡激光时，光敏电阻上的光强变化使其电阻值发生较大变化，电路的输出随之发生跳变。

3.5 GPRS模块

系统设计中，GPRS模块设计选用Cellon公司的CMS91，它是一种双频段GSM/GPRS 10级模块，具有低功耗、接口接单、AT指令集功能完善等特点。借助于GPRS模块，实现各个节点的灵活控制与状态信息的及时反馈。

4 节能经济数据分析

经统计，苏州大学校本部现有各类教学教室124间，总计约使用1 830支1 200 mm长T8荧光灯管。下面对使用T8 LED日光灯替换荧光灯后的节能经济数据进行对比分析，具体数据见表2。

5 结 语

基于LED的节能照明控制系统具有高效、节能、低碳、环保等特点，虽然LED照明改造前期投资较大，但从长远发展角度来看，其后期节电回报较高，维护成本大大减少。该套系统同样适用于博物馆、大型酒店、地下停车场等照明需求量大的应用场合。

参考文献

[1] 史光宪，赵旭东.能源与节能管理基础[M].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 陈美谦，刘暾东，周文博，等.基于GPRS的公共照明智能化监控系统设计与实现[J].电力自动化设备，2010，30（9）：114?117.

[3] 罗静华.大功率LED智能化照明控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（1）：50?52.

[4] 朱佳，许宜申，陈太军，等.基于RT8482的大功率LED驱动电路设计[J].现代电子技术，2012，35（18）：152?154.

[5] 杜松林，程行，王瑾.大功率LED驱动电路研究设计[J].电子技术，2011（6）：37?38.

[6] 贺玲，吴建德，邓焰.基于MCU控制的HB LED智能照明系统设计[J].电源技术，2010，34（5）：509?512.