建筑照明智能化节能控制系统设计.pdf

LED照明、智能控制系统也是节能建筑中常见的节能措施。 #生活知识# #节约生活# #节能建筑#

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建筑照明智能化节能控制系统设计王雪斌,刘黎明,李 思(贵州水利水电职业技术学院,贵阳 551416)收稿日期:2023-02-23作者简介:王雪斌(1989-),男,贵州水利水电职业技术学院讲师,主要从事电力系统自动化研究。摘要:随着城市的发展,高层建筑越来越多,建筑照明系统造成的能源浪费问题日益突出。通过智能化节能控制系统模型,将建筑照明电气控制系统与嵌入式系统设计相结合,实现控制系统软硬件的整体架构设计。通过对该系统的设计分析,在保证建筑环境照明效果的同时,减少电力浪费,达到高效能源利用。关键词:照明系统节能设计;建筑电气照明系统;嵌入式系统设计Research on Energy-saving Design of Building Electrical Lighting SystemWang Xuebin,Liu Liming,Li Si(Guizhou Water Resources and Hydropower Vocational and Technical College,Guiyang 551416,P.R.China)Abstract:With the development of cities,more and more high-rise buildings are being built,and the problem of energy waste caused by building lighting systems is becoming increasingly prominent.This article designs an intelligent energy-saving control system model,which combines methods such as building lighting electrical control system and embedded system design to achieve the overall architecture design of the control system software and hardware.By analyzing the design of this system,it is possible to ensure high comfort lighting effects for relevant users in the building environment while reducing power waste,thereby achieving energy-saving effects of efficient energy utilization.Keywords:lighting system energy-saving design;building electrical lighting system;embedded system design 城市化建设的重点在于能源的有效利用和居民工作生活的舒适度。从中国城市发展来看,城市照明问题与这两个方面密切相关。随着高层建筑的不断增多,尤其是城市中的大型写字楼等数量的大幅增加,照明对电力产能产生了的较大影响。在节能领域,建筑照明的能耗一直处于非常关键的位置。智能照明近年来迅速发展,已逐渐成为现代化城市建设的重要组成部分,为推进节能减排和节约电力资源,推广智能照明是一项非常重要的举措。1现存问题近年来,国家电网负荷不断增加,电力短缺问题不可小觑。其中,照明用电占全国总发电量的 12%15%。电气照明系统的能耗在整个建筑能耗中占据较大比 例,需 要 在 建 筑 节 能 设 计 中 对 其 进 行 重 点设计1。室内照明对人们日常生活的影响越来越明显,已成为现代化城市建设的重点领域。这一领域的发展迫切需要全社会的关注和参与。从节能方面来看,根据中国建筑节能协会发布的数据,建筑能耗水平已占社会总能耗的一半以上,而从建筑能耗分布来看,建筑照明系统的总体能耗水平约占建筑总能耗的 20%30%,公共办公照明系统的能耗尤为严重,可占建筑物总能耗的 25%35%。如此巨大的能耗需求给公共办公空间的节能带来严峻的挑战,也为办公环境中新型节能照明系统的发展提供了机遇。从舒适度方面来看,智能建筑中的办公光环境在提高用户的心理和身体舒922023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期适度方面存在一些缺陷。美国著名建筑师路易斯卡恩有一句名言:“设计空间就是设计光。”室内空间的照明因素在影响办公空间用户的舒适度和办公效率方面起着非常重要的作用。用户希望在统一、舒适、无眩光的环境中完成这些行为。基于电气照明系统在建筑能源消耗中的重要地位,结合建筑照明电气控制系统、嵌入式系统设计等,提出新型建筑照明系统节能方案,设计智能化节能控制系统模型,完成控制系统软硬件的整体架构设计,实现高效能源利用。2智能化节能控制系统设计方案2.1 建筑电气照明系统节能设计的可行性分析建筑电气照明系统节能设计的可行性主要体现在以下几方面:1)照明系统中的电能并非全部用于灯具照明,有部分电能被系统运行消耗,节能设计可以减少相应的能源损耗2。2)建筑电气照明系统整体结构复杂,系统规模庞大,存在大量可控裕量,可以精简和优化。3)建筑电气照明系统可以通过常见的控制手段进行智能化控制,以嵌入式系统等方式实现智能化、系统化控制。照明系统的节能设计,最早可追溯至 20 世纪 70年代,美国在 1972 年制订了照明节能方案,并在之后对此不断完善,为全世界范围内的建筑照明节能工作开创了先例。此后,世界范围内的相关组织都积极参与更新,并根据地区特色分别出台不同的建筑照明节能方案。在中国也有相关标准规范出台,如 2022年由住房和城乡建设部发布的 建筑节能与可再生能源利用通用规范(GB 550152021)。2.2 基于 STM32 单片机的节能照明控制系统设计原理简述 基于 STM32F103 系列单片机设计了建筑智能化照明控制系统,通过对芯片内部资源和 TFTLCD、红外传感器等外部硬件资源的综合运用,将单片机系统与外部 LED 智能灯具结合,设计了一个实时显示室内光照水平,根据人员流动情况自动控制照明开合,可通过 LCD 进行人机交互的建筑节能照明控制系统。该系统根据实时光照条件和人员流动情况计算出合适的光照强度和开闭情况,通过总线通信对控制信号进行传输,实现对照明系统的合理调节,达到节能减排的目的。2.2.1 STM32 单片机系统资源介绍STM32 是意法半导体公司设计,在 ARM 公司 Cortex-M 系列处理器基础上开发的微控制器,Cortex有 A、R、M 三大系列,A 表示 Application,即应用处理器(如 A8、A9 处理器),用于手机、平板等高端产品;R 表示 Real,即实时处理器,一般用在对实时 处 理 要 求 高 的 场 合,如 军 工 产 品;M 表 示Microcontroller,即微控制器,用在低端控制领域,即单片机的应用场合。STM32F103 系列微处理器是基于ARMv7-M 体系结构的 32 位标准 RISC(精简指令集)处理器,提供很高的代码效率,在通常 8 位和 16 位系统的存储空间上发挥了 ARM 内核的高性能3。ST公司为 STM32 系列单片机提供了一整套固件库,封装了对寄存器的操作,开发工程师不需要像传统的51单片机一样设置各种寄存器,而是通过调用现成的固件库完成开发,减少了开发人员的额外工作量。STM32 是拥有良好性能的一种常用的嵌入式芯片,其功能强大、价格低廉且开发简便,在日常的嵌入式系统设计与应用中,具有不可替代的作用。选用基于 STM32F1 系列芯片所开发的 STM32 开发板,该款开发板使用 STM32F1 系列芯片作为主控制器,其拥有的部分片内资源包括 48 KB 的 SRAM 内存资源、256 KB 的 FLASH 闪存、4 个通用定时器、2个基本定时器、2 个高级定时器及 51 个通用 IO 口等资源。单片机部分的 MCU 原理图如图 1 所示。图 1 单片机部分 MCU 原理图2.2.2 节能照明系统设计设计了实时光照强度反馈的人机交互界面,可以通过人机交互界面设置该区域光照的亮度。当传感器感应到在某区域有人活动时,自动打开灯光。基于内032023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期外光照环境的变化,配合光照传感器采集照度样本,并进行照度计算和分析,根据照度数据的分析结果,通过总线控制网络将控制指令发送到中间协调控制层的智能控制器,控制器对指令数据解码分析后,由控制器预设程序将 LED 灯具调整到合适的模式。同时程序将实时显示室外传感器收集的自然光照度,可为用户设置室内照度模式提供参考。该程序还提供了手动微调照明亮度的功能,如果用户认为系统计算的光强度太高或太低,可通过手动控制进行一定程度的照度补偿。为节省能源,当传感器检测到该区域没有人时,在延迟 3 min 后自动关闭照明。通过对室内照度的合理调节和对无人区域灯具的及时关闭,对照明系统电力资源进行分配调节,实现节能减排。整体的控制程序设计流程图如图 2 所示。按照上述原理图,编写基于光学传感器数值处理的处理函数和针对总线通信的中断函数,根据传感器反馈信号的不同传输不同的控制信号对室内 LED 照明系统进行控制。将编写好的仿真程序利用 Keil 软件进行仿真实验,在不同的传感器反馈数值之间,得到相应的灯光控制信号,实现预期控制效果。与此同时,编写显示函数,利用 LCD 屏幕实时反馈的光照情况,实现人机交互。图 2 程序设计流程图综上所述,STM32 单片机作为控制系统的核心部分,编写控制程序,通过总线通信对光照情况实时监测,根据传回的光照信号,切换照明模式。该系统充分利用了单片机嵌入式开发的优势,小巧简便,易于安装,可靠性高,便于管理。与光照信号相结合,利用总线通信对照明系统进行控制,完成了系统预期的功能目标和节能控制要求。通过对照明系统的合理控制,实现建筑电气照明系统节能减排的设计要求。3结论通过分析照明控制系统在建筑照明中的应用特点,验证了控制系统的有效性。控制系统的主要特点之一是减少传统照明造成的能源浪费。在传统照明的情况下,工作区域的照明值超过了照度标准值,导致电能的浪费,具有调节配光的节能照明控制系统可以有效减少能源浪费,达到环保节能的照明效果。根据测试结果,该系统比传统光源更节能。在传统照明模式下,为保证大深度空间的照明效果,无论外部自然光如何,所有灯具都按额定功率开启,但智能化照明系统可以根据自然光对室内区域的影响来确定光源开启的情况。比如,靠近窗户的灯在白天一般保持较低功率,避免传统照明中简单、粗放的照明模式。因此,虽然系统采用较为复杂的控制网络结构,在控制系统中会造成一定的能耗成本,但总能耗与传统照明相比仍节省 40%。建筑电气照明系统节能设计是实现城市电力资源合理分配的关键。相关行业人员应深化研究该专业领域,熟练掌握行业的相关规范和各项标准,在实践中不断探索。在工作中,根据实际情况,以整体化、系统化思维进行合理设计,在保障照明水平、合理分配电力成本的前提下,尽量减少城市建筑电气照明系统的电能损耗,从而为建设生态文明城市、推动建筑行业的可持续发展提供技术保障。参考文献:1 罗鸿宇.基于节能降耗的医院建筑电气照明系统设计 J.电子设计工程,2022,30(3):45-48,53.2 赵婧.建筑电气照明系统节能设计研究J.光源与照明,2022(5):33-35.3 孙书鹰,陈志佳,寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103 开发与应用J.微计算机应用,2010(12):59-63.132023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期

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