CN109831862A - 照明节能系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了照明节能系统，包括管理中心主节点、RS‑485网络和各楼层终端节点，所述管理中心主节点通过RS‑485网络与各楼层终端节点连接。本发明将整栋教学楼通过RS‑485网络进行教室照明节能统一管理，在教学楼内设置一个管理中心，将管理中心RS‑485主机与每一个楼层的子网主机配置为主干网络，每一个楼层配置为一个RS‑485子网，每一间教室内的控制器作为子网上的一个节点（终端节点），各子节点通过RS‑485双绞线连接到子网主机上。终端节点控制器根据教室内的光照强度、人员情况来控制照明灯具的接通与断开，最大限度地节约教学楼的照明用电，教学楼管理员可在管理中心对整栋教学楼的照明灯具进行自动化管理。
Description
技术领域
本发明属于照明技术领域，特别涉及照明节能系统。本发明还涉及照明节能系统的工作方法。
背景技术
教学楼是校园建筑的不可缺少的一部分，其照明用电量巨大，同时电能浪费现象随处可见，其主要的原因在于：（1）白天，下课后不及时关闭照明电源，经常会出现教室内无人，灯却一直点亮的现象；（2）晚饭后，学生到教室自习，常常教室里只有一、二个人，却将全部照明灯具全部开启，或者人离开教室时不关闭电源，造成夜间常明灯。（3）此外，照明灯具的寿命通常以小时为单位，无人教室的长明灯一则导致电能的浪费，二则会引起灯具损坏，增加了更换灯具的费用。目前，高校校园教学楼的节能管理主要依靠人工进行，由教学楼管理员定期巡查教室，教室无人时关闭照明灯具，晚上清楼时，统一关闭教室内的照明电源。可见，目前教学楼的节能管理工作的效率低、自动化程度也不高。
校园是人员密集的场所，能耗量一直居高不下，节约能源、建设绿色节能型新校园是众望所归。校园建筑节能具有明显的经济效益和社会效益，是校园管理中不可忽视的工作之一，采用自动化的节能管理方式迫在眉睫。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供照明节能系统，解决了目前教室照明使用过程中存在的教室无人灯具却未关闭，造成电费浪费的情况，同时解决了由于灯具长时间未关闭造成的灯具使用寿命缩短的问题。
技术方案：照明节能系统，包括管理中心主节点、RS-485网络、各楼层终端节点和各楼层子网主机，所述RS-485网络包括RS-485主干网络和若干子网络，所述各楼层终端节点包括教学楼内各楼层的所有教室终端节点，所述管理中心主节点通过RS-485主干网络与各楼层子网主机连接，所述各层教室终端节点通过RS-485双绞线与本楼层子网主机连接，所述管理中心主节点包括PC机和RS-485主控制器，所述PC机和RS-485主控制器通过串口连接，所述子网络将位于同一层的教室终端节点与楼层子网主机之间连接。本发明的照明节能系统，主要应用于教学楼中，将整栋教学楼通过RS-485网络进行教室照明节能统一管理。在教学楼内设置一个管理中心，将管理中心RS-485主机与每一个楼层的子网主机配置为主干网络，每一个楼层配置为一个RS-485子网，每一个楼层子网主机为RS-485子网的主节点，每一间教室内的控制器作为子网上的一个子节点。在每一间教室内，终端节点控制器根据教室内的光照强度、人员情况来控制照明灯具的接通与断开，最大限度地节约教学楼的照明用电。教学楼管理员可在管理中心对整栋教学楼的照明灯具进行自动化管理，可以通过上位机图形监视器观察各节点的运行状态，也可对每间教室的照明系统单独进行控制。构建该系统的目的在于通过本系统自动管理教学楼教室照明系统的运行，节约电能。
进一步的，上述的照明节能系统，所述教室终端节点包括电源转换模块、微控制器、人机交互界面、传感器模块、开关执行模块和数据接口，所述电源转换模块与微控制器的电源接口连接，所述人机交互界面与微控制器连接，所述传感器模块与微控制器的输入端连接，所述开关执行模块与微控制器的输出端连接，所述数据接口与微控制器连接。
进一步的，上述的照明节能系统，所述传感器模块包括一组热释电红外传感器、一组红外传感器和一组照度传感器，所述一组热释电红外传感器固定设置在教室内，所述一组红外传感器固定设置在教室入口处，所述一组照度传感器固定设置在教室的外墙上。在本系统中，使用照度传感器来测量室外环境中的光强，将测得的照度转换为与室内照度对应的电压值，经过A/D模块转换为数字信号，输入给单片机，单片机根据所输入的数字信号进行计算、决策。选用的照度传感器型号为BH1750FVI，BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的16位数字输出型环境光强度传感器集成电路。它的光谱灵敏度最为接近视觉灵敏度，能检测的光强的上下限是很大的，对光源的依赖性比较小，与其他型号的照度传感器相比，BH1710FVI受红外线的影响较小，其精度高，完全能够满足本系统的需求。红外线传感器包括红外线发射器、接收器、以及信号处理器几部分，信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接；信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接，其反馈信号输出端与外围控制电路连接。本发明红外线发射器发出带有编码信号的红外线信号，并实时检测经过放大电路处理后的反射信号，其编码信号能够保证多个相同型号的传感器同时同地工作而不相互干扰。而且工作频率一致、可靠性高、功耗小。
通过红外传感器教室内人数计算方法如下：
①根据门口安装的2组专用红外传发射/接受传感器判断室内人数。两对红外发射/接收传感器分别安装于门的内侧和外侧。
当外侧红外线先被阻挡而门内侧传感器紧随被阻挡，且们外侧红外接收先恢复，门内侧后恢复时，判断为有人进入房间。反之则判断为有人离开房间。对于静止物体遮挡等情况，可由室内的热释电红外传感器结合判断，切换系统的工作状态进入保护状态，此时关灯延时延长。
②当系统估算室内人数大于等于1时，如时间满足设置条件，则灯具不会被关断。当系统估算室内人数为0时，系统按照设定延时关灯。
热释电红外传感器是一种能探测人体发射出的红外线的电子器件。它可以将人体辐射红外线转化为电信号，此信号经过适当放大可以驱动各种控制电路。热释电红外传感器由探测元、滤光片和场效应管组成，当没有人体辐射进入传感器时，探测元电容两端产生极性相反的等量电荷，传感器没有输出。当有静止人体发出的辐射进入传感器时，同样因为相互抵消作用，传感器不会有输出。当检测范围内的移动人体红外线进入传感器时，红外线能量不等导致平衡被破坏，传感器有输出。传统的热释电红外传感器开关仅能识别到移动的人体，而当在教室等特殊区域，学生读书时活动较少，会导致间歇性断电关灯。过长的延时又会导致电能的浪费。
本发明选用的照度传感器的型号为BH1750FVI，这种照度传感器主要由光敏二极管、集成运算放大器、A/D转换模块、内部振荡器组成。其工作原理是通过内部振荡器对整个电路施加交流电流，光敏电阻受到光照，光敏电阻产生电流，经过集成运算放大器，将电流转换为电压，接着进行光强度计算和寄存，磁传感器的寄存器由数据寄存器和测量时间寄存器组成。
本发明提出了一种热释电红外传感器与红外传感器结合应用的办法，可以有效地识别教室内的人体活动并对室内人数进行判断，克服了传统红外开关无法探测室内静止人物的缺陷，并最大限度的节省电能。
进一步的，上述的照明节能系统，所述电源转换模块包括220V电源、变压器、桥式整流电路、三端稳压器、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述220V电源与变压器连接，所述变压器与桥式整流电路连接，所述第一电容和第二电容并联，所述第一电容和第二电容并联的一端和三端稳压器的输出端连接，并且第一电容和第二电容并联的另一端与GND连接，所述第三电容和第四电容并联，所述第三电容和第四电容并联的一端与三端稳压器的输入端连接，并且第三电容和第四电容并联的另一端与GND连接，所述三端稳压器的接地端与DND连接，所述三端稳压器的输出端与微控制器的电源端连接，所述桥式整流电路的输出端与第三电容、第四电容并联的一端以及三端稳压器的输入端连接。本发明使用IN4007二极管组成全波桥式整流电路，选用的稳压电路为LM7805稳压器。
进一步的，上述的照明节能系统，所述微控制器的型号为LPC1114FBD48。选择NXP公司的LPC11U66BD48芯片作为管理中心主节点和各子网主节点的主控芯片。选择LPC1114FBD48芯片作为系统终端节点的主控芯片。
LPC1114拥有领先的ARM Cortex-M0内核，以及NXP公司先进的制造工艺和强悍的外设，该系列Cortex-M0微控制器是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器。它的主频高达50MHz，支持睡眠、深度睡眠和深度掉电3种低功耗模式。同样还拥有丰富的外设，高达32KB片内flash，8K片内RAM，一路IIC、一路RS-485、8通道10位ADC、两路SSP、4个通用定时器、多达42个IO口。在LPC1114的核心小板上有复位电路、时钟电路、滤波电容、LPC114芯片和一个ISP 下载口。
进一步的，上述的照明节能系统，所述照度传感器的型号为BH1750FVI。
进一步的，上述的照明节能系统，所述三端稳压器的型号为LM7805。
进一步的，上述的照明节能系统，所述人机交互界面的型号为LCDL602。本发明中的显示屏用来实时显示系统的运行参数，以便于人机交互。本系统选用的LCD型号为1602，此型号LCD属工业字符型，能够同时显示16×2（16列2行）即32个字符。LCD1602在显示字母，数字等方面功能强大，且这款显示器价格便宜、易于编写，能够满足本系统的使用要求。在本发明中，LCD1602的作用是显示照度、工作模式、工作状态等，在没有网络的单机模式下，用户可以通过操作按键对控制器的控制参数进行设置例如延时关灯的时间、当前日期、操作密码等等。
LCD1602的引脚有三种用途，一部分引脚用来接电源，一部分是数据类引脚，剩下的引脚是编程控制类。本发明采用的显示元件是非背光的LCD，其拥有标准的16引脚接口。
本发明中，某些情况下需要人工对灯具负载进行控制。所以本发明中设置了4个实体按键，用来进行各种操作。
进一步的，上述的照明节能系统，所述开关执行模块包括第一三极管、第一光电耦合器、第一可控硅、第二三极管、第二光电耦合器、第二可控硅、照明灯具和手动开关，所述第一三极管和第二三极管的基极均与微控制器的输出端连接，并且第一三极管和第二三极管与微控制器不同的输出管脚连接，所述第一三极管的发射极与第一光电耦合器的输入端连接，所述第一光电耦合器的输出端一端与第一可控硅连接，并且第一光电耦合器的输出端另一端与照明灯具的一端连接，所述第一可控硅的一端与火线连接，并且第一可控硅的另一端与手动开关连接，所述手动开关设置在第一可控硅与照明灯具之间；所述第二三极管的发射极与第二光电耦合器连接，所述第二光电耦合器的输出端一端与第二可控硅连接，并且第二光电耦合器的输出端的另一端与照明灯具的一端连接，所述第一可控硅的2个端子与手动开关串联，并且第一可控硅和手动开关并联的两端与第二可控硅的两个管脚并联。上述电路的设计就是要将单片机输出的信号进行一系列处理，达到传输或者阻断信号的目的，本发明的驱动电路是围绕2个可控硅来设计的，为了通过单片机来控制可控硅的通断，在单片机和可控硅之间加上光电耦合器，本发明采用的是MOC3021光电耦合器，MOC3021光电耦合器主要是由发光二极管和光敏电阻组成。它的作用就是将单片机输入的电信号转换为发光二极管的光信号，二极管发出的光照射在光敏电阻上，又将光信号转换为电信号，传输到可控硅。该元器件的优点就是由于耦合的特性，消除了干扰的影响，而且该光电耦合器具有稳定性强，耦合电压很高，适用于本系统的应用。单片机发出高电平时，三极管导通，光电耦合器导通，可控硅导通；低电平时，三极管截止，光电耦合器断开，可控硅断开。
开关执行模块的工作原理：开关执行模块的2个输入端子分别用来控制2个可控硅，实现现场控制器的手动/自动模式切换。即当D1为高电平、D2为低电平时，Q1导通、Q2关断，系统为自动模式；当D2为高电平、D1为低电平时，Q2导通、Q1关断，系统为手动模式。
本发明照明节能系统的工作方法，包括以下步骤：
1）管理中心主节点判断教室为教学时间段或者自习时间段；
2）教室为教学时间段，管理中心主节点将教室终端节点的照明灯具设置为手动控制状态，由师生根据教学需求手动控制照明灯具；
3）教室为早晚自习时间段，管理中心主节点将教室终端节点的照明灯具设置为自动控制状态，通过一组热释电红外传感器、一组红外传感器和一组照度传感器对教室内的照度和使用人数进行检测，自动控制照明灯具的开启与关闭；
4）步骤3）中，对照明灯具的自动控制为，微控制器收集计算教室内的人数；
5）红外传感器检测教室内人体活动，有人体活动，判断是否为早晚自习时段，早晚自习时段，开启照明灯具；没有人体活动，将室内的灯具延时一定时间关闭；
6）步骤5）中判断是否为早晚自习时段，是早晚自习时段，判断教室内人数是否为零，不是早晚自习时段，判断是否为夜间时段；
7）是夜间时段，将室内的灯具延时一定时间关闭，不是夜间时段，判断是否为光照充分状态；
8）判断教室内人数是否为零，人数不为零，教室内的灯具保持开启，人数为零，将室内的灯具延时一定时间关闭；
9）光照充分状态判断，光照充分，将室内的灯具延时一定时间关闭，光照不充分，保持灯具打开；
10）步骤3）中人数检测：安装在门内侧和外侧的红外传感器检测人数，当门外侧的红外传感器先被阻挡，而门内侧的红外传感器紧随被阻挡，且门外侧的红外传感器先恢复，门内侧的红外传感器后恢复，判断有人进入教室，当门内侧的红外传感器先被阻挡，而门外侧的红外传感器紧随被阻挡，且门内侧的红外传感器先恢复，门外侧的红外传感器后恢复，判断有人离开教室。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的照明节能系统，通过管理中心与教室终端子节点的合理划分，能够对所有教室进行监控，同时在教室内合理布置用于人体和光照检测的传感器，能够将信号及时反馈给微控制器，便于控制器进行照明灯具关闭的控制，提高了教室照明灯具的利用率，降低了资源的浪费。
附图说明
图1为本发明所述的照明节能系统的网络结构图；
图2为本发明所述的照明节能系统的原理图；
图3为本发明所述的开关执行模块的电路图；
图4为本发明所述的电源转换模块的电路图；
图5为本发明所述的人机交互界面的连接结构图；
图6为本发明所述的照明节能系统的上位机主界面图；
图7为本发明所述的照明节能系统的工作流程图;
图8为本发明所述的照明节能系统的平面布置图。
图中：管理中心主节点1、PC机11、RS-485主控制器12、RS-485网络2、主RS-485主干网络21、子网络22、各楼层子网主机4、教室终端节点31、电源转换模块311、三端稳压器3111、第一电容3112、第二电容3113、第三电容3114、第四电容3115、变压器3116、桥式整流电路3117、微控制器312、人机交互界面313、传感器模块314、热释电红外传感器3141、红外传感器3142、照度传感器3143、开关执行模块315、第一三极管3151、第一光电耦合器3152、第一可控硅3153、第二三极管3154、第二光电耦合器3155、第二可控硅3156、电灯3157、手动开关3158、数据接口316。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
如图1-4所示的照明节能系统，包括管理中心主节点1、RS-485网络2、各楼层终端节点3和各楼层子网主机4，所述RS-485网络2包括RS-485主干网络21和若干子网络22，所述各楼层终端节点31包括教学楼内各楼层的所有教室终端节点31，所述管理中心主节点1通过RS-485主干网络21与各楼层子网主机4连接，所述各层教室终端节点31通过RS-485双绞线与本楼层子网主机4连接，其特征在于：所述管理中心主节点1包括PC机11和RS-485主控制器12，所述PC机11和RS-485主控制器12通过串口连接，所述子网络22将位于同一层的教室终端节点31与楼层子网主机4之间连接。管理中心主节点由一台PC机和一个RS-485主控制器组成。PC机和RS-485通过串口相连，实现数据和控制指令交互。PC机使用C#开发的专用控制界面连接各子网主机及终端节点，通过图形监视器上的主界面，实现整个网络的控制与管理。RS-485网络由主网与子网两部分组成。控制主网由主控制节点和若干个楼层子网络主机组成，主控制节点和电脑通过串口连接。将每个楼层配置为一个RS-485子网。各楼层子网由楼层主节点（子网主机）和若干教室终端节点组成，各楼层子网络相互独立。将所有教室的控制器采用菊花链拓扑链接到一起，各个子网的主机则通过楼层间的主网络同样以菊花链拓扑连接在一起。采用主网-子网的网络拓扑有以下优点：①缩短网络布线长度，提高网络速度；②避免子网节点数量过多，简化网络通信协议，提高使用效率；③增强网络的可靠性，减小节点故障带来的影响；④网络结构清晰明了易于管理和维护。
楼层子网节点间通过定制的通信协议传输数据。主机采用定时查询的方式按地址轮询各子节点状态，可将搜集到的数据加以筛选和整理后通过主网上报，在直控模式下，子网主节点可通过网络层协议路由数据帧，实现主节点对终端节点的直接控制。
RS-485网络通信报文分为定时报文和事件触发报文。定时报文用于终端节点数据信息收集，而事件触发报文则用于实现对终端节点的控制指令传输或其他特殊操作如参数组更新，程序更新等。
数据帧则分为单帧、头帧、连续帧等，单帧通常用于定时报文发送，数据相对较短。头帧和连续帧等则通常用于事件触发报文，可传输较多的数据。帧头ID场用于帧类别的区分和优先级控制。而报文则由帧数据场ID区分。网络的主节点使用两路UART实现主次网络，互不干扰。
如图2所示教室终端节点31包括电源转换模块311、微控制器312、人机交互界面313、传感器模块314、开关执行模块315和数据接口316，所述电源转换模块311与微控制器312的电源接口连接，所述人机交互界面313与微控制器312连接，所述传感器模块314与微控制器312的输入端连接，所述开关执行模块315与微控制器312的输出端连接，所述数据接口316与微控制器312连接。将单片机作为系统的核心，利用照度传感器检测室外照度、利用红外探测器检测进入和离开教室的人数、利用热释电红外传感器监测室内有无人员活动，最终按照系统的设定时间阈值及运行方式确定点亮或关闭灯具，实现教室照明的节能运行。具体工作流程：节点配置了自动控制和手动控制两种状态，把教室的使用分为教学和自习时间两种时段，在教学时段，将系统置为手动控制状态，由师生根据教学需要手动控制照明灯具；在早晚自习时间段内，将系统置为自动状态，此时系统对教室内的照度和使用人数进行检测，当室外照度低于设定值，且室内有大于1人看书、自习时，灯具自动点亮，供师生使用。教室内无人时，灯具延时一定时间熄灭；非早晚自习时间段内，既使室内有人活动，灯具也不会自动点亮，如果有灯具亮着，灯具延时一定时间熄灭；晚上按照规定的作息时间强行关闭教室内的照明灯具，早晨按照作息时间将系统恢复到自动运行状态，供学生早自习使用。
其中，传感器模块314包括一组热释电红外传感器3141、一组红外传感器3142和一组照度传感器3143，所述一组热释电红外传感器3141固定设置在教室内，所述一组红外传感器3142固定设置在教室入口处，所述一组照度传感器3143固定设置在教室的外墙上。传感器模块包括热释电红外传感器、红外传感器，以及照度传感器，是系统的输入部分。按照常见的教室布局（假设：一前一后2个门，面积约为60-80m2，门的对面有一排窗），每间教室配置2个照度传感器、4个红外传感器和2个热释电红外传感器。
对室内人员数量及活动情况的探测主要由4个红外传感器和2个热释电红外传感实现。热释电红外传感器实时探测室内的人体活动并根据时间段和时间策略的不同设置熄灯延时，例如在熄灯时间后延时1分钟关灯，晚自习时间阶段延时至10分钟关灯。2个热释型电红外传感器视实际情况选择安装位置（通常一前一后、吸顶安装），用于探测房间内的人体活动，作为控制策略的主要输入参数。
4个红外传感器安装于教室的2个入口处，每个入口内外各装1个。红外传感器用于探测门口的人体活动，根据触发的时间差判断统计室内人数，作为控制策略的输入参数。
2个照度传感器安装于教室附近的外墙上，用于检测室外环境的照度，间接得出房间内的光照程度，用于识别阴雨天或其他特殊天气等对室内实际采光造成的影响，作为灯具节能控制策略的主要输入参数之一。
1#、2#照度传感器，1#—4#红外传感器，1#、2#热释电红外传感器分别连接到LPC114FBD48的GPIO和ADC引脚。
上述电源转换模块311包括220V电源、变压器3116、桥式整流电路3117、三端稳压器3111、第一电容3112、第二电容3113、第三电容3114和第四电容3115，所述220V电源与变压器3116连接，所述变压器3116与桥式整流电路3117连接，所述第一电容3112和第二电容3113并联，所述第一电容3112和第二电容3113并联的一端和三端稳压器3111的输出端连接，并且第一电容3112和第二电容3113并联的另一端与GND连接，所述第三电容3114和第四电容3115并联，所述第三电容3114和第四电容3115并联的一端与三端稳压器3111的输入端连接，并且第三电容3114和第四电容3115并联的另一端与GND连接，所述三端稳压器3111的接地端与DND连接，所述三端稳压器3111的输出端与微控制器312的电源端连接，所述桥式整流电路3117的输出端与第三电容3114、第四电容3115并联的一端以及三端稳压器3111的输入端连接。电源转换模块将220V交流电转换为系统所用的5V直流电平。其主要组成为变压器、整流及稳压几部分。
上述微控制器312的型号为LPC1114FBD48。微控制器是系统的核心，承担整个节点的控制功能和节能逻辑实现的作用。主要由一颗MCU及辅助芯片组成。系统含有一块EEPROM芯片用来存储控制策略。控制芯片采用NXP LPC1114FBD48，其核心是ARM Cortex M0，其运算能力高达0.9 DMIPS/MHz，而与其他传统16位/8位处理器相比，CortexM0的的优势在于运算能力大幅提高，所以在同样任务的运算任务上，CortexM0只需较低的CPU工作时间，从而大幅降低了整体的动态功耗。系统为离线式单体控制，使用一颗RTC时钟保存时间信息，结合预定的时间设置信息自动调整灯具控制策略。照度传感器3143的型号为BH1750FVI。桥式整流电路中二极管的型号为IN4007。三端稳压器3111的型号为LM7805。人机交互界面313的型号为LCD1602。
上述人机交互界面由一个LCD显示屏和一组按键组成，显示屏用来设置系统时间、设置显示模式，显示系统工作参数。4个实体按键，分别为前、后、确认及退出。由软件编程实现长按，短按，和组合按键等多种输入方式的识别。人机交互界面可对终端节点控制器进行简单的操作，如模式设置，参数调整等。
上述开关执行模块315包括开关执行模块315包括第一三极管3151、第一光电耦合器3152、第一可控硅3153、第二三极管3154、第二光电耦合器3155、第二可控硅3156、照明灯具3157和手动开关3158，所述第一三极管3151和第二三极管3154的基极均与微控制器312的输出端连接，并且第一三极管3151和第二三极管3154与微控制器312不同的输出管脚连接，所述第一三极管3151的发射极与第一光电耦合器3152的输入端连接，所述第一光电耦合器3152的输出端一端与第一可控硅3153连接，并且第一光电耦合器3152的输出端另一端与照明灯具3157的一端连接，所述第一可控硅3153的一端与火线连接，并且第一可控硅3153的另一端与手动开关3158连接，所述手动开关3158设置在第一可控硅3153与照明灯具3157之间；所述第二三极管3154的发射极与第二光电耦合器3155连接，所述第二光电耦合器3155的输出端一端与第二可控硅3156连接，并且第二光电耦合器3155的输出端的另一端与照明灯具3157的一端连接，所述第一可控硅3153的2个端子与手动开关3158串联，并且第一可控硅3153和手动开关3158串联的两端与第二可控硅3156的2个端子并联。开关执行模块可以在硬件开关上加入对灯具的控制。本发明中，主要利用一组双向可控硅及辅助电路实现自动模式下灯具的开启与关闭。执行模块可以在控制器故障的同时使能硬线开关，不影响光源的使用。
本申请中，数据接口用于离线时数据和参数的导入和导出，实现快速设置和控制器软件升级等等。
本发明的照明节能系统的工作方法，包括以下步骤：
1）管理中心主节点1判断教室为教学时间段或者自习时间段；
2）教室为教学时间段，管理中心主节点1将教室终端节点31的照明灯具设置为手动控制状态，由师生根据教学需求手动控制照明灯具；
3）教室为自习时间段，管理中心主节点1将教室终端节点31的照明灯具设置为自动控制状态，通过一组热释电红外传感器3141、一组红外传感器3142和一组照度传感器3143对教室内的照度和使用人数进行检测，自动控制照明灯具的关闭；
4）步骤3）中，对照明灯具的自动控制为，终端节点中的微控制器312收集计算教室内的人数；
5）红外传感器3142检测教室内人体活动，有人体活动，判断是否为早晚自习时段，是早晚自习时段，将开启灯具；没有人体活动，将室内的灯具延时一定时间关闭；
6）步骤5）中判断是否为早晚自习时段，是早晚自习时段，判断教室内人数是否为零，不是早晚自习时段，判断是否为夜间时段；
7）是夜间时段，将室内的灯具延时一定时间关闭，不是夜间时段，判断是否为光照充分状态；
8）判断教室内人数是否为零，人数不为零，教室内的灯具保持开启，人数为零，将室内的灯具延时一定时间关闭； 9）光照充分状态判断，光照充分，将室内的灯具延时一定时间关闭，光照不充分，保持灯具打开；
10）步骤3）中人数检测：安装在门内侧和外侧的红外传感器3142检测人数，当门外侧的红外传感器3142先被阻挡，而门内侧的红外传感器3142紧随被阻挡，且门外侧的红外传感器3142先恢复，门内侧的红外传感器3142后恢复，判断有人进入教室，当门内侧的红外传感器3142先被阻挡，而门外侧的红外传感器3142紧随被阻挡，且门内侧的红外传感器3142先恢复，门外侧的红外传感器3142后恢复，判断有人离开教室。
上述电灯延迟关闭的一定时间，可根据不同学校灵活进行设定，例如可设置延迟10分钟、15分钟等。
图8为本发明的照明节能系统在教室使用过程中的平面布局设置，具体的此照明管理系统跟根据场合进行灵活的调整。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.照明节能系统，包括管理中心主节点（1）、RS-485网络（2）、各楼层终端节点（3）和各楼层子网主机（4），所述RS-485网络（2）包括RS-485主干网络（21）和若干子网络（22），所述各楼层终端节点（31）包括教学楼内各楼层的所有教室终端节点（31），所述管理中心主节点（1）通过RS-485主干网络（21）与各楼层子网主机（4）连接，所述教室终端节点（31）通过RS-485双绞线与各楼层子网主机（4）连接，其特征在于：所述管理中心主节点（1）包括PC机（11）和RS-485主控制器（12），所述PC机（11）和RS-485主控制器（12）通过串口连接，所述子网络（22）将位于同一层的教室终端节点（31）与楼层子网主机（4）之间连接。
2.根据权利要求1所述的照明节能系统，其特征在于：所述教室终端节点（31）包括电源转换模块（311）、微控制器（312）、人机交互界面（313）、传感器模块（314）、开关执行模块（315）和数据接口（316），所述电源转换模块（311）与微控制器（312）的电源接口连接，所述人机交互界面（313）与微控制器（312）连接，所述传感器模块（314）与微控制器（312）的输入端连接，所述开关执行模块（315）与微控制器（312）的输出端连接，所述数据接口（316）与微控制器（312）连接。
3.根据权利要求2所述的照明节能系统，其特征在于：所述传感器模块（314）包括一组热释电红外传感器（3141）、一组红外传感器（3142）和一组照度传感器（3143），所述一组热释电红外传感器（3141）固定设置在教室内，所述一组红外传感器（3142）固定设置在教室入口处，所述一组照度传感器（3143）固定设置在教室的外墙上。
4.根据权利要求2所述的照明节能系统，其特征在于：所述电源转换模块（311）包括220V电源、变压器（3116）、桥式整流电路（3117）、三端稳压器（3111）、第一电容（3112）、第二电容（3113）、第三电容（3114）和第四电容（3115），所述220V电源与变压器（3116）连接，所述变压器（3116）与桥式整流电路（3117）连接，所述第一电容（3112）和第二电容（3113）并联，所述第一电容（3112）和第二电容（3113）并联的一端和三端稳压器（3111）的输出端连接，并且第一电容（3112）和第二电容（3113）并联的另一端与GND连接，所述第三电容（3114）和第四电容（3115）并联，所述第三电容（3114）和第四电容（3115）并联的一端与三端稳压器（3111）的输入端连接，并且第三电容（3114）和第四电容（3115）并联的另一端与GND连接，所述三端稳压器（3111）的接地端与DND连接，所述三端稳压器（3111）的输出端与微控制器（312）的电源端连接，所述桥式整流电路（3117）的输出端与第三电容（3114）、第四电容（3115）并联的一端以及三端稳压器（3111）的输入端连接。
5.根据权利要求2所述的照明节能系统，其特征在于：所述微控制器（312）的型号为LPC1114FBD48。
6.根据权利要求3所述的照明节能系统，其特征在于：所述照度传感器（3143）的型号为BH1750FVI。
7.根据权利要求4所述的照明节能系统，其特征在于：所述三端稳压器（3111）的型号为LM7805。
8.根据权利要求2所述的照明节能系统，其特征在于：所述人机交互界面中的显示电路（313）的型号为LCD1602。
9.根据权利要求2所述的照明节能系统，其特征在于：所述开关执行模块（315）包括第一三极管（3151）、第一光电耦合器（3152）、第一可控硅（3153）、第二三极管（3154）、第二光电耦合器（3155）、第二可控硅（3156）、照明灯具（3157）和手动开关（3158），所述第一三极管（3151）和第二三极管（3154）的基极均与微控制器（312）的输出端连接，并且第一三极管（3151）和第二三极管（3154）与微控制器（312）不同的输出管脚连接，所述第一三极管（3151）的发射极与第一光电耦合器（3152）的输入端连接，所述第一光电耦合器（3152）的输出端一端与第一可控硅（3153）连接，并且第一光电耦合器（3152）的输出端另一端与照明灯具（3157）的一端连接，所述第一可控硅（3153）的一端与火线连接，并且第一可控硅（3153）的另一端与手动开关（3158）连接，所述手动开关（3158）设置在第一可控硅（3153）与照明灯具（3157）之间；所述第二三极管（3154）的发射极与第二光电耦合器（3155）连接，所述第二光电耦合器（3155）的输出端一端与第二可控硅（3156）连接，并且第二光电耦合器（3155）的输出端的另一端与照明灯具（3157）的一端连接，所述第一可控硅（3153）的2个端子与手动开关（3158）串联，并且第一可控硅（3153）和手动开关（3158）串联的两端与第二可控硅（3156）的两个管脚并联。
10.根据权利要求3或6所述的照明节能系统的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）管理中心主节点（1）判断教室为教学时间段或者自习时间段；
2）教室为教学时间段，管理中心主节点（1）将教室终端节点（31）的照明灯具设置为手动控制状态，由师生根据教学需求手动控制照明灯具的开启与关闭；
3）教室为自习时间段，管理中心主节点（1）将教室终端节点（31）的照明灯具设置为自动控制状态，通过一组热释电红外传感器（3141）、一组红外传感器（3142）和一组照度传感器（3143）对教室内的照度和使用人数进行检测，自动控制照明灯具的开启与关闭；
4）步骤3）中，对照明灯具的自动控制为，终端节点中的微控制器312收集计算教室内的人数；
5）红外传感器3142检测教室内人体活动，有人体活动，判断是否为早晚自习时段，是早晚自习时段，将开启灯具；是晚自习时段，没有人体活动，将室内的灯具延时一定时间关闭；
6）步骤5）中判断是否为晚自习时段，是晚自习时段，判断教室内人数是否为零，不是晚自习时段，判断是否为夜间时段；
7）步骤6）中，是夜间时段，将室内的灯具延时一定时间关闭，不是夜间时段，判断是否为光照充分状态；
8）步骤6）中，判断教室内人数是否为零，人数不为零，教室内的灯具保持开启，人数为零，将室内的灯具延时一定时间关闭；
9）光照充分状态判断，光照充分，将室内的灯具延时一定时间关闭，光照不充分，保持灯具打开；
10）步骤3）中人数检测：安装在门内侧和外侧的红外传感器（3142）检测人数，当门外侧的红外传感器（3142）先被阻挡，而门内侧的红外传感器（3142）紧随被阻挡，且门外侧的红外传感器（3142）先恢复，门内侧的红外传感器（3142）后恢复，判断有人进入教室，当门内侧的红外传感器（3142）先被阻挡，而门外侧的红外传感器（3142）紧随被阻挡，且门内侧的红外传感器（3142）先恢复，门外侧的红外传感器（3142）后恢复，判断有人离开教室。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190531 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |