杜漢民，何文杰，王 憶

（1.江門市漢的電氣科技有限公司，廣東 江門 529000；2.五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529080）

1 引言

在當代，人們對學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和視力問題越來越關(guān)注，而學(xué)校的教室通常是作為學(xué)生長時間學(xué)習(xí)和活動的主要場所，因此，教室照明狀況和照明質(zhì)量對于學(xué)生來說是非常重要的，尤其是在保護學(xué)生視力和健康方面。而教室照明中有關(guān)于LED 燈具使用的研宄則相對較少，更多的是對教室光環(huán)境、教室照明光效應(yīng)和教室照明設(shè)計原則的研究[1-3]。因此，本文通過在照明設(shè)計軟件DIALux 模擬中根據(jù)不同類型的光源（原有大多教室都采用熒光燈照明，在此我們選用高性能LED 燈具），通過教室尺寸實測與燈具排列方式對教室環(huán)境進行較精確地模擬，力圖通過改變光源功率、燈具配光曲線和燈具排列得到對應(yīng)的照明設(shè)計方案，比對現(xiàn)有多個國家標準[4]，讓教室照明達到國家標準；另一方面，教室作為學(xué)生和教師長時間學(xué)習(xí)和教學(xué)的場合，其照明設(shè)施也是經(jīng)常保持常亮[3，5]。但是，不可避免的是在教室沒人的時候，由于學(xué)生、教師和工作人員的疏忽，忘關(guān)開關(guān)的情況也屢見不鮮，甚至有的教室照明設(shè)施會整夜常亮，這也就浪費了很多不必要的能源。在國家倡導(dǎo)綠色能源、節(jié)約能源的國策下，為避免這種情況的發(fā)生，在電子技術(shù)如此發(fā)達的今天，我們可以通過設(shè)計一款一種智能控制設(shè)計控制教室照明燈具，讓其實現(xiàn)有人則亮，而無人則滅的目標，以節(jié)約不必要浪費的能源。這樣一方面響應(yīng)了國家號召；另一方面，延長了熒光燈的使用壽命和減小了電能損耗，可減小學(xué)校能源方面的開支，兩全其美。

2 國家標準與教室照度實測比較

2.1 教室環(huán)境照明評價的主要參數(shù)

2.1.1 照度

照度指的是入射到空間內(nèi)物體上的單位面積上的光通量lm（流明），單位為勒克斯（1 lx=lm/m2）。根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標準》規(guī)定，教室的基本照度要求為300 lx 以上。在測量單位面積內(nèi)，由光源所發(fā)出的光通量Φ產(chǎn)生的照度E（lx）=（lm）/A（m2）。

2.1.2 照度均勻度

在一個光照空間中，光線的分配均勻與否也是很重要的。如果空間中光線分配均勻度不夠，會造成指定空間的明暗度有明顯的不同，很容易導(dǎo)致人眼視覺疲勞。通常我們將照度均勻度定義為，即空間內(nèi)指定平面上最小照度與平均照度的比值，照度均勻度越接近1.0 越好。

2.1.3 照明功率密度

某指定建筑的房間或場所，單位面積的照明安裝功率（含鎮(zhèn)流器、變壓器的功耗），單位為W/m2。

國家教育建筑照明標準[2，4]如表1 所示。

表1 國家教育建筑照明標準

2.2 教室照度實測

選取某階梯教室（熒光燈），照明狀況實測結(jié)果處理后得到課桌面的平均照度值Eav、照度均勻度UQ、照明功率密度LPD值如表2 所示。

從表2 可以看出，現(xiàn)有絕大部分教室的照明是不滿足最近標準要求的。

2.3 燈具智能控制目的和要求

在目前，國內(nèi)大、中、小學(xué)的室內(nèi)照明大都采用人工控制完成的，不僅浪費人力、操作煩瑣，而且每天早晚教室燈開閉具有很大不確定性。隨著智能控制的快速發(fā)展，使得人們的生活有了更多的便利。因此，設(shè)計必要的智能控制系統(tǒng)以控制教室照明系統(tǒng)，達到省人力、避免頻繁操作、安全節(jié)能的目的。為了方便控制和節(jié)能，該智能控制系統(tǒng)要求達到以“人來燈亮，人走燈滅”的目的。利用紅外傳感器原理，感應(yīng)人體活動，通過人體感應(yīng)模塊將該信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘?，并通過單片機將其電平信號轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)。

表2 某階梯教室實測數(shù)據(jù)表

3 教室配光與智能控制設(shè)計

3.1 教室照明建模與仿真

3.1.1 光學(xué)軟件DIALux

在德國，由DIAL 公司所開發(fā)的Dialux 光學(xué)設(shè)計軟件已為人們所熟知，這款軟件除了德國外，世界范圍內(nèi)也越來越多的地區(qū)使用此設(shè)計軟件。

近年來，由于Dialux 設(shè)計軟件的方便實用性，該軟件已經(jīng)進入中國市場，并出現(xiàn)了適用于中國使用的中文簡體版本。

Dialux 光學(xué)設(shè)計軟件的功能強大，在此先對DIAlux 光學(xué)設(shè)計軟件進行一些簡單介紹：①使用范圍。由于Dialux 光學(xué)設(shè)計軟件的通用性強，所以在室內(nèi)、戶外或街道的照度仿真和燈具照明的計算中都可以被使用。②容易上手，適合初學(xué)者和專業(yè)人士使用。和我們平常使用的大多數(shù)設(shè)計軟件較為相似，由于該設(shè)計軟件的工作界面簡潔，使用便捷，具有非常便捷的工具欄和屬性欄及強大的鼠標拖拽功能。利用“DIALux 燈光精靈”向?qū)碓O(shè)計室內(nèi)、室外，街道和體育場合的空間，并能夠引導(dǎo)初學(xué)者和設(shè)計員一步步地完成設(shè)計，而且Dialux 光學(xué)設(shè)計軟件許多的簡易功能使得計算變得更加容易。其中，燈具的排列、燈光的效果、燈具的選擇皆僅需輕松操作鼠標就可以完成[1]。在最新版本的該設(shè)計軟件中，我們可以將DXF 格式的燈具信息直接導(dǎo)入到DIAlux 光學(xué)設(shè)計軟件中，然后進行再照明計算。③開放且廣泛的燈具數(shù)據(jù)庫。在設(shè)計過程中，我們會用到燈具的資料信息和數(shù)據(jù)，這點已經(jīng)在DIALux 光學(xué)設(shè)計軟件中實現(xiàn)。在DIALux 光學(xué)設(shè)計軟件的燈具庫目錄中收集了各燈具廠家的燈具產(chǎn)品資料、光學(xué)數(shù)據(jù)，并且將它們集成在一個叫做“外掛程序”（Plugin）的數(shù)據(jù)庫里面，包含我們所熟悉的Philips、BEGA、THORN、ERCO、OSRAM 等國際大公司，方便我們查找和使用[2]。在利用該仿真軟件進行仿真設(shè)計的過程中，利用光學(xué)設(shè)計軟件DIALux 中的插件不僅能對燈具樣本進行可觀的整理和分類，并且能夠整理設(shè)計案中的色溫、光源、配光曲線到樣本的圖片等，這樣使用者可以方便查到信息。④仿真照明輸出功能。對于設(shè)計人員來說，設(shè)計方案中的照光度、光亮度、光均勻度是能否達到國家的規(guī)定一直是我們所關(guān)注的焦點，所以在進行方案策劃時，可以按照設(shè)計案內(nèi)的要求再對比《建筑照明設(shè)計標準》輸入平均亮度、維護系數(shù)總均勻度、眩光限制閾值增量、縱向均勻度環(huán)境比等數(shù)據(jù)。

3.1.2 DIALux 建模與仿真

3.1.2.1 空間尺寸及建模

某北主樓1104 教室的實際尺寸為：長16.66 m、寬13.04 m、高4.34 m。由于北主樓教室照明不達標，所以我們重新設(shè)計了燈具的等距分布方案，圖1 為我們設(shè)計方案中實際燈具排列區(qū)域及間距尺寸示意圖，即為教室的平面分布示意圖。

圖1 教室燈具分布圖

圖2 為北主樓1104 教室的3D 分布圖，都是由照度仿真軟件DIALux 繪制得出，其模擬了五邑大學(xué)北主樓1104 教室的真是空間分布，尺寸與真實教室空間尺寸完全相同，其燈具懸掛高度為3.66 m（該數(shù)值為燈具距離地面高度），工作面高度取0.85 m，此數(shù)值與課桌高度相同。

圖2 模擬教室場景

3.1.2.2 計算與工作面高度及對應(yīng)區(qū)域

工作面高取桌子高度為0.85 m，工作面對應(yīng)區(qū)域面取桌子所在區(qū)域即在X方向（平行于黑板的方向），Y方向（垂直黑板方向，即平行于側(cè)面墻壁方向）為工作面高度及對應(yīng)區(qū)域。

通過光學(xué)設(shè)計軟件進行仿真時，其工作面高度和區(qū)域的選取對應(yīng)于真實教室工作面高度和區(qū)域相同，因為只有這樣，才能使得使仿真工作面與教室真實工作面達到一致，從而使最后得到數(shù)據(jù)和真實數(shù)據(jù)具有可比性。

教室照明的仿真和測量：通過照明仿真軟件DIALux，通過對北主樓1104 教室的實測，再將收集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入照明仿真軟件DIALux，對該真實環(huán)境進行仿真與照明計算，得出的等照度圖如圖3 所示。

由DIALux 仿真軟件仿真得到報表數(shù)據(jù)如表3 所示。

3.2 燈具智能控制計

選用紅外傳感器，再用它集成傳感器模塊，用來探測人體的活動，并將人類活動的信號通過HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊將這種“動”信號轉(zhuǎn)化為電路可識別的高低電平信號，將這種高低電平信號輸入單片機I/O 口，通過簡單的程序控制，再將該信號通過單片機輸出口輸出，使得該高低電平信號來控制燈的亮與滅，真正實現(xiàn)“教室有人活動則燈亮，無人則燈滅的”智能控制目標，以減少人力物力的使用和節(jié)約能源。

圖3 Dialux 仿真設(shè)計教室光照及燈具分布圖。

表3 由DIALux 仿真軟件仿真得到報表數(shù)據(jù)

3.2.1 HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊構(gòu)成及原理

紅外傳感器工作的原理為：人的身體溫度一般來說是動態(tài)改變的，但總體來說該身體溫度值通常穩(wěn)定在37 ℃上下，在這樣背景下，人類的身體就會發(fā)出特定波長紅外線，一般在10 μm 左右，傳感器的被動式紅外探頭就是通過探測這種人體發(fā)射的微弱紅外信號而運行[3]。當人體在范圍內(nèi)移動時傳感器就會收集到的這種微弱的紅外線經(jīng)過菲泥爾濾光片加強后匯聚到紅外感應(yīng)源上。傳感器的該感應(yīng)源一般利用熱釋電元件（該原件利用熱釋電效應(yīng)而工作）制成，當接收到人體的紅外輻射后，該紅外傳感器的熱釋電原件失去電荷而失去平衡，向外部放出電荷，模塊的后續(xù)電路通過傳播和檢測，會產(chǎn)生一種報警信號，這樣就收集到了人體活動的信號。控制器件實物如圖4 所示。

圖4 控制器件實物圖

產(chǎn)品特點：該人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外感應(yīng)的自動控制模塊，該模塊具有靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作模式優(yōu)勢，所以被應(yīng)用于各種具有自動感應(yīng)功能的電器設(shè)備中，相比較常見的是以生活中常見電池作為電源供電的智能設(shè)備。感應(yīng)模塊的主要參數(shù)如表4 所示。

表4 感應(yīng)模塊的主要參數(shù)

3.2.2 STC89C51RC 單片機及控制程序

采用單片機芯片型號為STC89C51RC，STC89C5 單片機學(xué)習(xí)開發(fā)板是很常見的一款單片機，具有8 位單處理芯片的能力。作為適用于廣大人群的單片機開發(fā)系統(tǒng)，因其所具有的運行速度快、功耗低、抗干擾能力強的優(yōu)勢而被人們注重。可以通過C 語言、匯編語言進行控制，內(nèi)部的12 時鐘/機器周期和6 時鐘/機器周期可以任意選擇，且該開發(fā)板內(nèi)部集成獨特的專用復(fù)位電路。

設(shè)計目標：由于傳感器的優(yōu)越的性能和簡單的原理，使得傳感器廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。通常傳感器按照不同的輸出信號將其分為非電量式傳感器（比如色溫傳感器等）和電量式傳感器（又分為開關(guān)式傳感器、模擬量式和數(shù)字量式和開關(guān)式傳感器）。在這里，我們選用紅外傳感器，再用它集成傳感器模塊，用來探測人體的活動，并將人類活動的信號通過該HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊，讓這種“動”的信號轉(zhuǎn)化為電路可識別的高低電平信號，再將這種高低電平信號輸入單片機I/O 口，通過簡單的程序控制，最后將控制信號通過單片機輸出口輸出，使得該模塊實現(xiàn)通過高低電平信號來控制燈的亮與滅，真正實現(xiàn)“教室有人活動則燈亮，無人則燈滅的”智能控制目標，以減少人力物力的使用和節(jié)約能源。

具體步驟：①一直流電源模塊作為供電電源，電源正極連接人途紅外感應(yīng)模塊引腳1（電源正極接口），電源負極連接人體感應(yīng)模塊引腳2（電源負極接口），引腳3 作為信號輸出端口以連接后續(xù)的信號處理模塊。需要注意的是，當人體紅外感應(yīng)模塊接通電源后，該模塊不會立即進入工作狀態(tài)，而是會有1 min 左右的時間恢復(fù)初始狀態(tài)，而且在此恢復(fù)初始狀態(tài)時間段內(nèi)人體紅外傳感模塊會有間隔地輸出幾次，進入正常的待機狀態(tài)需要1 min 左右的時間。②按照設(shè)計要求，編寫我們所需的程序代碼。在此處，我們選用C51單片機的P0 口作為信號輸入端，而P1 口作為信號輸出端，程序控制原理為，當I/O 口接收到高電平時，輸出端口輸出高電平，則此時燈亮。當I/O 口接收到低電平時，P0 口不輸出信號，也就是低電平，此時燈滅。③程序編寫好經(jīng)過連接編譯成功后，將我們所編寫的程序燒錄到STC89C51 芯片中。④人體感應(yīng)模塊的輸出端口3 連接STC89C51 的信號輸入I/O 端口的PO 口，作為單片機信號輸入端，將人體感應(yīng)模塊的輸出信號電信號輸入到單片機中。⑤將STC89C51 單片機的輸出口P1 與LED 燈相連接，其輸出高低電平可用來控制照明燈具燈的亮與滅。

4 結(jié)論

本設(shè)計在不改變教室的空間壞境下，主要通過改變燈具的排列方式和增添燈具的方法，通過DIALux 仿真軟件將室內(nèi)環(huán)境進行3D 建模，然后再將選好的燈具、設(shè)計的燈具排列方式導(dǎo)入到設(shè)計空間內(nèi)。通過DIALux 強大的報表功能計算得出報表。與國家規(guī)定的教室照明標準相比較，該設(shè)計方案符合國家和行業(yè)標準，可以應(yīng)用到真實的階梯教室環(huán)境中[4]。在智能控制模塊設(shè)計中，我們要求實現(xiàn)這種“人走燈滅，有人則燈亮”的省能源、省人力的目的。該設(shè)計首先通過紅外感應(yīng)模塊將人體的活動信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐匪茏R別的高低電平信號，然后通過簡單控制程序來控制單片機，讓單片機將這種高低電平轉(zhuǎn)化為可以控制燈“亮”與“滅”的信號，達到了智能控制和節(jié)能的效果。