浅谈智能照明控制系统在高校计算机房的应用
来宝网 2021/1/19点击459次
【摘要】目前高校正在推进和深化节约型校园的建设，本文针对广州铁路职业技术学院公共机房能源浪费比较严重的问题，提出一种基于 KNX 总线的智能控制系统解决方案，通过总线智能控制技术，对机房的照明、空调、教学电脑进行管理和监控，避免能源浪费现象的发生。实践证明，系统节能效果好、稳定可靠、操作方便，有效地提高了学院公共机房的管理水平。
【关键词】KNX 总线；智能控制系统；高校计算机房；场景模式
0 引 言
近年来，国家大力推进节能减排工作，节约资源成为我国的基本国策。但目前大学生的平均能耗指标明显高于全国居民的平均能耗指标，据统计，全国高校大学生生均能耗是全国居民人均能耗的4倍。教育部发（2009）163号文件指出：高等学校是公共机构的重要组成部分，要建立高等学校校园节能工作的长久机制，推进和深化节约型校园的建设。高校想做好节能工作，除了做好师生宣传教育工作外，提高能源管理水平、使用智能控制的技术节能手段等也是行之有效的方法。
大学校园建筑分布范围广，教室、专业实训室多，学生上课流动性大，使用传统节能管理办法需要耗费大量人力。以广州铁路职业技术学院（以下简称广铁学院）的计算机公共机房管理为例，该校目前拥有计算机公共机房18间、计算机1000多台，分布在两栋实训楼中，但是配置的实训管理员只有3名。机房承担全院的计算机应用基础教学工作和不同专业的实训教学工作，每天上课和上机的学生达到2000多人次。由于管理人员较少，机房长期存在严重的能源浪费现象：机房长时间无人使用时，电脑、空调、照明等仍然处于打开状态；上课时照度足够却照样开灯；空调和窗户同时打开等等。针对机房能源浪费现象，学院采用了一种基于KNX总线技术的节能控制系统设计方案。KNX是一种基于事件控制的分布式总线系统，所有的控制信号都是通过一根双芯控制电缆进行传输的，线路与配电完全分开。该系统可以实现智能灯光控制、智能窗帘管理、智能新风、智能电脑控制、智能安防管理、智能视频监控等功能，能够达到智能节能控制的目的。
1 KNX 总线技术的特点
KNX是家居和楼宇控制领域开放式国际标准，是由欧洲三大总线协议EIB、BatiBus和EHS合并发展而来，已被批准为欧洲标准、国际标准、美国标准和中国指导性标准。通过KNX总线系统，可以实现对家居和楼宇的照明、遮光/百叶窗、安防系统、能源管理、供暖、通风、空调系统、信号和监控系统、服务界面及楼宇控制系统、远程控制、计量、视频/音频控制、大型家电等的控制。
1.1 传输技术的特点
KNX/EIB是一个基于事件控制的分布式总线系统，数据传输和总线装置的电源共用一条电缆，把通讯信号耦合在24V 系统电源上，采用弱电载波方式，用弱电控制强电。操作安全、结构简单。
1.2 拓扑结构
KNX系统采用分层结构，分域（Area）和线路（Line），线路是KNX系统的更小结构单元。每个线路至多包括4个线段（Line Segment），每个线段至多可连接64台设备，每个设备都有一个物理地址。一般情况下，可以有15个线如果有多个域存在时，每个域需要通过主干耦合器（BK）与干线路相连接。一个系统最多包括15个域，这样理论上一个KNX系统可以连接58000多台总线设备。KNX拓扑结构如图 1 所示。
1.3高兼容性、高扩展性和设备可替换性
KNX标准的优势在于不同性能、不同厂家生产的产品可以实现互操作；产品通过了严格的质量控制和第三方KNX认证，质量非常可靠；KNX标准功能丰富，适用于各种类型的建筑物；通信介质多样，可以用双绞线、电力线和无线实现通信；可以采用多种系统配置模式。
2 计算机房 KNX 智能控制系统方案设计
2.1 系统需求
广铁学校机房设备的传统控制方式基于开关触点的接通与断开来控制，但机房管理人员有限，很多设备控制不合理、不到位，很难达到节能效果。机房智能控制系统总体设计应该达到以下要求：
（1）机房区域内采用分布式智能控制方式，开关、调光、窗帘、空调模块均配有处理器，可以不依赖其他元件而独立工作。
（2）需能实现灯光的智能开启和人工控制，以及分散集中控制、远程控制、延时控制、定时控制等多种控制方式；实现空调、上课电脑的智能开启/关闭和人工控制。
（3）照明控制系统在满足各个机房使用需求及舒适度要求的基础上，应充分考虑结合自然光的明暗自动调节照度，达到节能目的。
（4）系统拥有良好的扩展性，将需增加的元件直接挂接在总线上，即可实现功能或回路的扩展。
（5）各系统元件均有独立的CPU及地址，可通过巡检功能监视系统内元件运行是否正常，如总线或元件出现故障、断线，可及时反馈给智能主机。路分别经过线路耦合器（LK）与主线路相连接，组成一个域。
（6）建立Web监控管理系统和手机操作APP，实现不同权限的操作管理，可集中控制和远程操作，降低运行成本。
2.2 系统框架设计
广铁学院计算机房KNX总线系统是通过一条总线将两栋实训楼的四层楼共18间计算机房所有的KNX设备连接起来，各个设备既可独立工作，又可通过中控电脑进行集中监视与控制。KNX设备通过电脑编程独立完成诸如开关、调光、控制、监视等工作，根据要求进行不同的场景设置（如：全开模式、全关模式、清洁模式、投影模式等），实现对多个设备的联动控制。
总线上设备元件分为三类：
（1）系统元件。负责整个KNX总线网络系统的运行， 如KNX总线电源、KNX/IP网关、线路耦合器等。
（2）传感器。负责监控机房内的开关操作或光照度、温度、湿度、烟雾等信号变化，如光照度传感器、红外线传感器。
（3）执行器。负责接收传感器发出的信号并执行相应的操作，如调节灯光，控制窗帘、空调等。
系统架构图如图 2 所示。
安装在机房的传感器监视感知现场的光照度、温度、烟雾浓度和人体存在感应，并通过KNX总线将数据反馈给中控主机模块，主机模块将接收的信号与预先设定的正常值范围进行比较，以判断执行哪些操作，将相应的控制信号通过总线发送给执行器，如：窗帘控制模块接收到的光照度信号值超过预设照度，窗帘执行器对机房窗帘执行升/降/停/百叶角度调整。
2.3 系统实现
2.3.1 模块选型和组网
计算机房KNX总线智能控制系统主要由电源供给模块、IP接口模块、线路耦合器模块、开关调光执行模块、窗帘执行模块、空调远程控制网关、APP智能控制网关和若干触摸屏、开关面板、传感器等组成，系统采用广州乐原智能科技有限公司的KNX总线智能产品。所有模块及系统元件均为模块化产品，采用标准35mm导轨安装方式，安装在专用的智能控制箱内。
系统的组网采用支干线模式，一层楼一根干线（域），每个房间铺设若干支线（线路），模块至设备间采用两芯1.5mm2的KNX/EIB总线控制线缆，总线和电源线分开穿管敷设。总线通过分布在各个机房的传感器（包括光照度传感器、温湿度传感器、人体存在传感器、红外线传感器、烟雾传感器）实时采集数据，并通过总线把信号传输到相应模块。
一个机房配置4路14A调光模块1个，每个调光模块所能控制的灯具数量不超过64个；一层楼配置12路16A开关模块2个、14路窗帘控制模块1个；一栋实训楼配置空调远程控制网关1个、APP智能控制网关1个；每个机房的连接总线配置线路耦合器 1个，每层楼的连接总线配置主干耦合器1个；每个机房配置多联智能开关面板1个，每层楼配置3.5寸智能控制面板1个，可实现手动控制、分散/集中控制和场景控制。系统配置IP接口模块1个，通过双绞线连接路由器，实现KNX系统与Internet的互联，可实现计算机集中控制和手机APP远程控制。控制系统网络拓扑图如图3所示。
2.3.2 软件设计
在硬件设计完成的基础上，根据需求对智能控制模块进行软件编程。KNX模块编程可用ETS5编程实现。项目需要导入相应产品模块的数据库，数据库由模块厂商提供；通过在ETS5软件里建立项目，为每个机房建立新支线，在相应支线里加入各个功能元件，设置每个元件的物理地址；根据功能的不同设置组地址，功能相同的对象组地址相同，传感器同一功能只能有一个组地址，执行器组地址根据控制功能的不同可以划分多个组地址。建立好群组地址后把相应元件进行关联，以一号机房为例，控制要求和关联设置如表2所示。关联了相同的组地址的元件就可以进行通讯，操作面板发出指令，执行器执行命令。关联结束后把程序下载到模块。上述编程设计只是针对开关、调光、窗帘进行的关联设置，针对场景模式的设计编程采用类似方法。
2.3.3 控制模式
机房设备控制包括分散集中控制、场景控制、智能感光控制、定时控制、远程控制等多种控制方式。
分散/集中控制：可以每个机房分散控制，也可以通过智能面板集中控制。每层设置智能控制面板、场景面板、多联智能开关，通过智能按键面板可以很方便地控制所有灯光的开/关、亮度调节、空调开/关、窗帘升/降/停/百叶角度调整。
场景控制：分四类场景，全开模式打开机房所有灯光、空调和插座开关；全关模式关闭所有灯光、空调和插座开关；投影模式关闭窗帘和部分灯光回路，保证投影清晰显示；清洁模式打开窗帘和部分灯光回路，保证基本照明。具体如表3 所示。
智能感光控制：通过光感应控制百叶窗帘和采光较好部位的灯光，在自然光线照度足够的情况下关闭照明，更大限度节能。通过人体存在感应控制的方式，长时间无人情况下，自动关闭照明、空调和计算机，做到有人时开灯，无人时延时关灯。
定时控制：系统自动按照预设的运行时间完成灯光、空调的控制，满足上课、下课时间段对灯光照度的要求。通过定时功能确保在非正常工作时间内的更小能源消耗。
远程控制：通过Internet远程控制，有管理员权限即可登录Web管理系统或手机APP，远程控制设备的开/关。
表 3 灯光控制统计
2.3.4 WinSwitch中控系统集中监控
系统采用WinSwitch监控软件，实现对机房元件的实时管理和远程操控。WinSwitch采用标准的图形图像界面进行操作，可插入楼层、房间、元器件的平面图，操作简单直观。 图4为WinSwitch 的监控界面，界面设置了各组灯光开关、空调开关、窗帘控制开关、机房电脑总开关，可对现场设备实施远程控制；控制系统面板和执行器的控制状态可通过KNX总线实时反馈到监控界面，监控界面的控制命令通过总线传输到驱动器，执行相应的操作。可通过中控系统检查设备是否运行正常，判断总线是否工作正常、执行器是否正常及回路断路器是否处于打开的状态，如出现故障，能够有效判断故障原因。
3 安科瑞智能照明控制系统
3.1系统简介
Acrel-BUS智能照明控制系统，是基于KNX总线技术设计的控制系统。KNX总线技术起源于欧洲，是在EIB，Batibus和EHS这三种住宅和楼宇的总线控制技术上发展起来的，其中EIB（European Installation Bus,欧洲安装总线）是该总线技术的主体。
Acrel-BUS智能照明控制系统采用标准的2*2*0.8EIB BUS总线（即KNX总线）作为总线线缆，将所有的智能照明控制模块连接到一起并组成一套完整的控制系统，既可实现照明灯具的远程集中控制，又可实现就近控制功能。该系统理论可连接控制模块数量达580000多个。
安科瑞智能照明产品种类齐全，方案完善。用户可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能控制，特别适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明系统。
3.2系统工作原理示意图
3.3产品选型
3.3.1开关驱动器
用于对设备进行开关控制的驱动器，具有延时、预设、逻辑控制、场景、阈值开关等功能，电气参数如下：
3.3.2调光驱动器
2路0-10V调光器，可对每路进行回路开关控制并输出0-10V调光信号对具有0-10V调光接口的灯具进行调光,具有开关、场景、状态反馈等功能，电气参数如下：
3.3.3传感器
传感器是一种能感受外界信号、物理条件（如光、移动）的设备装置，并将感应的信息传递给其它设备装置（如调光器、开关驱动器），电气参数如下：
3.3.4总线电源
KNX/EIB系统标准供电电源，为总线提供电压640mA 输出电流，至多可以为 64 个设备供电，带总线复位、 过流指示和短路保护。标准导轨安装，电气参数如下：
3.3.5智能面板
用于接受按键触动信号，可通过区分短按与长按并结合不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能，电气参数如下：
3.3.6干接点输入模块
用于接受外部干接点信号输入，可通过不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能，电气参数如下：
3.4系统功能
（1）光照度（需要配照度传感器）监测，对利用自然光照明区域，根据自然光照度变化，进行照明控制和调节，满足照明和节能要求；
（2）公共区域、走廊、通道、门厅、电梯厅等的照明，应设置红外或微波类人体感应器，并结合智能控制面板，实现各种场景照明控制，尽可能较少灯具点亮时间；
（3）楼梯间照明采用人体感应探测控制；
（4）设备房、设备房走道采用分组就地控制；
（5）室外路灯、景观等照明采用光照度控制结合时控的集中控制方式；
（6）监控系统界面友好，画面美观,实时显示各区照明工作状态；
（7）应具有完善的用户权限管理功能，避免越权操作；
3.5系统应用领域
3.6系统的控制优势
（1）系统可通过、触摸屏、电脑对现场的灯光、空调及窗帘等进行远程集中控制，使得控制更加方便智能，用户体验更好；
（2）系统中控制模块均工作在直流30V安全电压下，用户操作更加安全、舒适；
（3）系统在实施过程中，充分结合自然光及人员的活动规律来自动控制灯光，减少能源消耗，达到很好的节能效果；
（4）系统采用分布分布式KNX总线结构，搭建简单灵活，系统内各模块互不影响，可独立工作，可靠性更高；
（5）多种控制方式可供选择，如本地控制，自动感应控制，定时控制，场景控制和集中控制等，控制方式更灵活；
（6）系统的自动控制、远程集中控制等功能，在实现自动化的同时，大量减少了值班人员，提高了管理水平和工作效果；
（7）升级系统内控制模块或更改系统功能时，无需增加连接线，不需关闭整个系统，只需更改设备参数即可实现，维护方便，操作简单；
（8）系统可与消防系统联动，在出现消防报警时，强制打开应急回路，方便人员疏散，从而降低了人员伤亡的风险，提高了建筑的安全性。
3.7安科瑞组网方案
智能照明控制系统组网方式灵活，扩展方便，当系统模块数量较少、距离较近、范围较小时，各设备以树形枝状延伸，构成支路系统智能照明控制系统；当系统模块数量较多、距离较远、范围较大时，用支线耦合器组成多条支路，构成区域智能照明控制系统；当系统模块数量很多、距离很远、范围很大时，用支线耦合器、区域耦合器等构成楼群智能照明控制系统。
4 结 语广铁学院从2017年采用KNX总线控制系统管理公共计算机房，比传统的机房管理方式节约了20%～30%的电能，管理方式先进，节约了人力，避免了能源的浪费，降低了相关费用的支出。KNX总线技术可延长设备使用寿命，机房的照明灯具较往年的损耗率明显降低。实践证明，KNX总线系统稳定、操作方便、扩展性好、节能效果好，达到预期目标，提高了学院公共机房的管理水平。目前由于国内引进KNX核心技术的费用高昂，KNX模块产品价格相对较高，使得KNX技术主要应用于大型公共设施、国企和学校楼宇，大规模的推广普及受到一定影响。随着国内KNX厂商的不断增加，研发能力不断提高，性价比更高的KNX设备产品将越来越多，将对KNX总线技术的普及有更好的推动作用。
【参考文献】
［1］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国教育部.关于印发《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》及有关管理办法的通知[EB/OL].http://www.mohurd.gov.cn/ kjjb/jstgzcfb/200911/t20091110_196722.html，2009-10-15.
［2］易丹，基于 KNX 总线的高校计算机房智能控制系统设计.
［3］安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版
推荐仪器
