图书馆智能照明系统大学本科毕业论文

I

图书馆智能照明系统设计

摘要

随着照明技术的发展，传统的照明已无法解决如今人们对照明效果的要求，简单的控制方式，更加不方便于系统的管理与维护，智能照明与智能控制已经进入历史舞台，结合现代通信技术与电脑技术的控制技术等现代化技术，进而满足了智能照明的要求，既节能、又环保、并且便于管理与维护。图书馆是一个能够收藏图书、杂志、资料、报纸、光盘等文献的地方。它是学子们探寻知识的殿堂，是丰富的文化遗产，现在也越来越多的受到关注。本文基于的图书馆是大学图书馆，主要分布有自习室、办公室、阅览室、图书室等。在这个照明系统中，通过对场景的预设、照度的计算、灯具的选择等，对图书馆智能照明控制系统进行设计，进而说明了智能照明的优势。

关键词：照明；智能；控制系统

II

Design of intelligent lighting system for

Library

Abstract

With the development of lighting technology, the traditional lighting has been unable to solve the requirement of the lighting effect of the people, simple control, convenient for the management and maintenance of the system, the intelligent lighting and intelligent control has entered the stage of history, combined with the control technology and other modern technology and modern communication technology and computer technology, and then meet the intelligent lighting the requirements of energy saving, environmental protection, but also, and is convenient for management and maintenance. The library is a collection of books, magazines, newspapers, CDs and other literature data. It is the temple of the students to explore the knowledge, is a rich cultural heritage, now more and more attention. This paper is based on the university library, mainly a study room, office, reading room, library, etc.. In the lighting system, based on the preset scene, illumination calculation, the choice of lamps and so on, carries on the design to the library of intelligent lighting control system, and then illustrates the advantages of intelligent lighting.

Keywords: Lighting; Intelligent; Control system

III

目录

1绪论 (1)

1.1 智能的意义 (1)

1.1.1 绿色照明 (1)

1.1.2 节能光源 (1)

1.1.3 照明理念 (2)

1.2 国内外发展现状 (2)

1.2.1 国外现状 (3)

1.2.2 国内现状 (3)

2照明设计 (4)

2.1 设计基础 (4)

2.2 照度标准 (7)

2.2.1 一般要求 (7)

2.2.2 书库要求 (8)

2.2.3 阅览室要求 (8)

2.3 基本方法 (9)

2.3.1 灯具选择 (9)

2.3.2 安装位置 (9)

2.3.3 高度确定 (10)

2.3.4 负荷计算 (11)

2.4 具体方案 (12)

2.4.1 设计任务 (12)

2.4.2 照度计算 (12)

IV

2.4.3 灯具摆放 (13)

2.4.4 负荷计算 (13)

3智能照明 (15)

3.1 引言 (15)

3.2 影响因素 (15)

3.2.1 因素-安装高度 (15)

3.2.2 因素-型号功率 (16)

3.3 数学模型 (17)

3.4 基于Lonworks总线的智能照明 (18)

3.4.1 技术简介 (18)

3.4.2 硬件配置 (20)

3.4.3 工作原理 (22)

3.5 智能照明系统设计 (24)

3.5.1 设计任务 (24)

3.5.2 照度计算 (25)

3.5.3 灯具及传感器分布 (25)

3.5.4 智能照明负荷计算 (25)

3.5.5 结果分析 (27)

总结 (28)

后记 (29)

参考文献 (30)

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第1 页

1 绪论

1.1 智能的意义

随着快速增长的经济，人们对能源的需求日益增长，因为人们长期过度使用石油，天然气，煤炭和其他资源，能源的储备变得十分的有限，能源短缺的问题也越来越严重，同时也造成了生态平衡处于恶劣地步，并且严重地威胁着人类的生活，因此如何高效节能与环境保护变成了人们普遍关注的问题。

1.1.1 绿色照明

与所有照明技术相关的光学、建筑学、能源科学、材料科学等自然科学与工程技术的进步，以及现代化时代对照明行当的冲击，传统的照明方法带来的挑战，人们越来越重视外部环境和内部环境，以及建筑的造型艺术，从而希望达到美化城市形象、提高照明品质的目的[1]。

1992年美国政府提出了“绿色照明工程”，即“采用节能高效的光源提高照明质量与能源的有效利用，降低照明成本，减少毒物的排放，进而保护环境”，1995年，中国已经制定了绿色照明方针，并在北京等地区进行试验。

1.1.2 节能光源

光源的节能主要因素是发光效率，优质高效的光源，也就是，光源的光通量值高，节能效果将更加显著，但实际上，还应该根据实际的照明需求，光的选择应该综合考虑寿命和价格等因素[2]。一些常见的光源，如白炽光源，买入价低，简单实用而且方便，通常用于日常生活、企业照明以及应急照明之中。还有市场上比较普遍的荧光灯、例如直流型、紧凑型等各式各样的荧光灯，不但节能效果比白炽灯要好，并且显色指数也显著提高，配合镇流器与荧光粉，不但提高了视觉效果，并且无频闪、无辐射，更有利于人的健康。近几年出现的各式各样的发光二极管，电能转化成光能的转化率高达25%~35%并且具备寿命长，耐高温，具备较强的抗振性，能发出十分明亮的光等特点，有很好的发展前景，下面我们将几种典型光源的特性列入表1-1。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第2 页表1-1几种典型光源特性

光源种类发光效率

（Im/W）

显色指数

（Ra）

色温

（K）

平均寿命

（小时）

白炽灯泡20 95 2700 1100

石英卤素灯20 95 2900 2200-3100

SL灯60 80 2600/5000 8200

高压泵灯60 40 3200/4200 6100

普通日光灯80 75 全系列8100

金属卤化物灯80-100 70-95 2700/4300/5200 6200-20000

三基色日光灯100 80-100 全系列10000

高压钠灯130 30/60/90 2000/2100/2500 25000

低压钠灯210 45 1800 26000

QI灯80 90 2700/3800 80000 使用混光照明的方式，可选用两种以上的不同光源，并且选用高效节能灯具，不但能够提高节能的效果，而且不同功能、造型的灯具达到了美观、艺术的效果。

1.1.3 照明理念

基于以前的照明设计，我们的侧重点在照明的明亮程度、显色性指数以及眩光的产生等因素，主要是对继电器的控制，从而实现开、关灯的转换，一但照明亮度被设置，就无法再自行调节，由于各个照明控制的单位分散在不同区域，导致管理与维护的投入量变大。伴随着人们生活水平的不断提高，以前的照明设计理念已然无法适应现如今人们的需要，因此智能照明技术凭借着它优越的性能受到了广泛的关注。

1.2 国内外发展现状

在各个场所中，有一个舒适的光源是必不可少的，无论是在白天还是晚上，并且作为一个重要的地方，人们能够从中获取各种资源，图书馆的电源质量也应该受到特别的重视。创造良好的光源，对提高工作效率，保护视力健康有着积极的影响。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第3 页

1.2.1 国外现状

80年代初期，照明行当由美国兴起并得以快速发展。90年代后期，由于现代控制技术的广泛应用，照明行当已然采取了巨大的革新。在21世纪到来之时，随着各种新技术的出现，智能照明向着系统一体化的方向逐步发展。由微电子技术的推动下，许多公司推出了对各种产品实现集成电路控制的方案，令电子镇流器向着更高性能的方向发展。另一方面，不同控制系统的相互结合，实现了远程监视、资源共享以及对系统异常的处理。

继美国之后，其它各国的智能照明产业也逐渐开始发展，并且不断接近成熟。先后涌现出了许多国际上的知名企业。

1.2.2 国内现状

90年代初期，中国市场引进了智能照明产业，然而由于市场、价格等因素，传统的理念与国外存在很大差别，厂家的制造技术和经营模式以及技术水平受限，一些设备与技术都是从国外引进的，很难形成较大的市场，导致中国的照明行业没有稳定的渠道。21世纪后，国内经济迅速发展，技术逐渐成熟，国外一大批企业加入，照明的发展得到了迅速提高。

一些在国内照明行业拥有各自优势的经销商，在市场上逐步地站稳了脚跟，并最终在用户和渠道商中获得了认可。国内照明生产企业和高新技术企业的参加，是照明行业拥有了职业的设计，优秀的设备，完美的服务，一股新的动力在照明行业冉冉升起，因此照明技术得到了快速发展。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 4 页

2 照明设计

2.1 设计基础

物体的光源被称为照度，不一样的光源，自然拥有不一样的节能效果，并且可以获得不同的颜色；灯具的规格不但会影响照明气氛，配合光源也可以高效、节能。所以，了解照明的指标，适当的参数选择，既保证了照明效率，又保护了视力健康，同时也提供了一个理论基础，建立一个安全、舒适的照明环境。本章节主要介绍一些基本原理与指标，以及照度计算、灯具安装等内容。

可见光可划分为红色，橙色，黄色，绿色，青色、蓝色以及紫色。当人类的眼睛受到了电磁波辐射，视神经的视觉就会转换成光，也就是所谓的可见光，是仅有一小部分的电磁频谱的。单位时间内，可以被人们的眼睛接收的光能量的和叫做光通量，单位是：流明。正常情况下，不同光源、相同功率，产生的光通量却是不同的。正常光源会以不同的强度向不同方向放射光通量（如图2-1所示），光的强度指的是在指定方向发射可见光的强度，单位：坎德拉，符号I 表示。

图2-1 演示图

每个方向都均匀辐射的光通量的光源，光强度的关系如公式2-1所示。

光强度I = 光通量Φ / 立体角Ω (2-1) 式中，立体角2A r

Ω=；A 为立体角对应的球面积；r 表示球半径。 照度即为照射面上在单位上所接收的光的能量大小。单位是：勒克斯，符号E 表示。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第5 页

我们将光通量与照度的关系用公式2-2表示。

照度E = 光通量Φ/ 被照面积A (2-2) 夏季中午地表照度约4500勒克斯，冬季晴天地表照度约2200勒克斯，月夜地表照度约0.3勒克斯。

光源在视线方向的投影面积的强度即为亮度，就是人们经常说的视觉水平的程度，单位是：坎德拉/平方米，符号L表示[3]。当物体表面受到光的照射时，有一部分光被反弹了回去，这一部分的光通量即为反射光通量。物体对光源照射的反射能力用反射率来表示，不同材料反射系数也不一样（表2-1）。所以，能够得出公式2-3

亮度L = 照度E ?反射率 (2-3)

表2-1不同材料反射率

材料名称反射率材料名称反射率

白色石膏板70 白色釉面砖80

白色大理石60 混泥土25

红砖30 浅蓝色砖40

绿色砖30 暗灰色砖20

光源、桌面、肉眼之间光传递的关系我们用图2-2来表示。

图2-2关系图

其间所产生的电能一部分变成了光能，我们将这个转换的效率称为发光效率[4]。单位是：流明/瓦，符号η表示。能够得出公式2-4

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第6 页

发光效率η = 光通量Ω / 消耗电功率 (2-4)

色温即为黑体的温度。如果光的颜色与色温相近则称作相关色温。单位为绝对温度。我们经常采用相关色温来表述连续光谱的特性。如图2-3展现了光谱在不同波长下分布的情况。

图2-3分布图

物体在非连续光谱照射下，颜色必然失去真实性，也就是失真[5]。为了描述光源对真实颜色的实现程度，我们用到了一个概念，即显色性。以标准的光源为基本准则，Ra 指数越大，光的颜色就越真实。下面我们将各个Ra指数的性能参考列入表2-2中。

表2-2显色性能

显色指数性能比较一般应用参考

91~100 优需要色彩精确对比的场所

81~90 良需要色彩正确判断的场所

61~80 普需要中等显色性的场所

41~60 及对显色性的要求较低，色差较小的场所

21~40 差对显色性无具体要求的场所

计算照度有如下几种方法。

(1)利用系数法

投射光通量与发出光通量的比即为利用系数，如公式2-5所示。

μ

Φ

=

?Φ

e

n (2-5)

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 7 页

公式中，e Φ为投射光通量；n 为光源量；Φ为发出光通量之和。利用系数μ与如下

因数相关，灯具的型式、悬挂高度、房间面积、清洁情况相关。并且能够从对应的灯具利用系数表中查到利用系数μ的值。

在计算实际的平均照度的时候，应当加入一个小于1的系数，称为“减光系数”。所以实际的平均照度如下面公式2-6所示。

0μη???=?av F n E A k (2-6) 公式中，F 为单位灯的发出光通量；n 为灯的数量；μ为利用系数；η为灯具效率；以及房间大小A 和补偿的系数k 0，已知平均照度标准，并已经确定了灯具的类型和功率

时，就可以确定光源数量。

(2)单位容量法

在方案设计初期，需要估算所需用电量的时候使用的方法叫单位容量法。单位容量的计算是以l 平方米需要的光通量表示，如公式2-7所示。

0123=?????P P A E C C C (2-7)

公式中，P 为最低功率；P 0为每勒克斯的照度容量，单位为瓦/平方米，能够通过查

表获得具体值；A 为水平面积；E 为照度值；C 1为修正系数；C 2为调整系数；C 3为校正系

数，各个系数能够通过查表获得。

(3)逐点计算法

根据坐标位置来确定x 、y 、z 的值，并且计算出各个点照度的方法叫逐点计算法。由于所需处理数据量大，通常使用电脑计算，自动算出各个点的照度值。

2.2 照度标准

2.2.1 一般要求

图书馆的一般场所照度标准，如表2-3所示。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第8 页表2-3其它标准

类别参考平面

及其高度

照度标准值（lx）

低中高

研究室、装裱修整间、美工室0.7m水平面120 210 290

陈列室、视听室、细微阅读室0.8m水平面80 110 160

目录厅、出纳厅0.7m水平面80 110 160

读者休息室、吸烟室0.8m水平面40 60 80

开敞式运输传送设备0.8m水平面60 70 90

走廊、厕所地面20 25 30

楼梯间地面30 40 50

盥洗室0.8m水平面30 40 50

电梯前室地面40 50 70

2.2.2 书库要求

图书馆的书库照度水平应该设置为120勒克斯~180勒克斯~240勒克斯，距地面0.3米处垂直照度应设置为35勒克斯~40勒克斯~60勒克斯，如表2-4所示。

表2-4书库标准

房间名称参考平面及其高度照度标准值（lx）

书库地面120~180~240

书库0.3m水平面35~40~60

2.2.3 阅览室要求

一般阅览室的照度水平设置在120勒克斯~180勒克斯~240勒克斯；强光阅览室的照度标准一般设置在170勒克斯~200勒克斯~ 320勒克斯，如表2-5所示。

表2-5阅览室标准

房间名称参考平面及其高度照度标准值（lx）

一般阅览室0.7m水平面120~180~240

强光阅览室0.7m水平面170~200~310

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第9 页

2.3 基本方法

照明设计包含灯具选择、安装位置、照明方式等，不一样的参数直接决定了照明效果的质量。

2.3.1 灯具选择

根据灯具投射光通量的百分比，我们将灯具分为直接照明型、半直接照明型、均匀漫射型、半间接照明型、间接照明型五种类型；根据灯具的结构，我们将灯具分为开启型、闭合型、密闭型、增安型、隔爆型五种类型[6]。

2.3.2 安装位置

通常情况下，阅览室使用以下三种方案。

(1)分区布置

与具体位置相关。根据照明要求的不同，给予阅览区最好的光照条件，如图2-4所示。

图2-4分区布置

(2)均匀布置

与具体位置无关。灯具均匀分布，如图2-5所示。

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第10 页

图2-5均匀布置

(3)混光布置

利用不一样的光源进行照明，不但能够满足照明需要，而且能够清除阴影。为了获得均匀的照度，距高比不可以超过灯具规定的最大值，如图2-6所示。

图2-6混光布置

2.3.3 高度确定

室内灯具既不能挂得太高，也不能挂得太低。挂得太高了，光照会减少，浪费钱，也不便于维护；挂得太低的话，容易碰到，不安全，而且会产生眩光，对视力不好。最高高度和室空比、配光种类相关，标准应当小于或等于下列数据，如表2-6所示。

表2-6 高度要求

室空间比配光种类选用灯具的最大允许距高比%

1-4 宽配光 1.6~2.8

4-7 中配光0.6~1.8

7-10 窄配光0.7~1.2

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室空间比

RCR = 5h(L + W) / (L ?W)

公式中，L 为长度，W 表示宽度。

2.3.4 负荷计算

负荷计算的方法有三种，需要系数法是负荷计算的主要方法，具体方法如下

(1)需要系数法

通过查照明手册，可以获得不同场所的需要系数，用于计算负荷，负荷计算公式如2-8所示。

?

=?=?==js z s

js js js js P K P Q P tg S S I 公式中，P js 为有功负荷；Q js 为无功负荷；S js 为视在负荷；I js 为电流；P s 为总容量；

K z 为需要系数，这里我们所需要用的大约在0.5 ~ 0.6；tg ?为正切值，主要是用于功

率因数；U N 为额定电压。

负荷计算如公式2-9所示。

()

(

)?∑∑=?∑?=?∑??=js p x s js q x s js P K K P Q K K P tg S (2-9)

公式中，P K ∑为有功功率系数；q K ∑为无功功率系数，分别取0.85~0.9，0.92~0.98。

(2)负荷密度法

负荷密度法又叫做单位面积功率法，计算公式如公式2-10所示。 1000?=s js K A P (2-10)

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第12 页

公式中，P

js 为有功负荷；K

s

为负荷密度，单位：瓦/平方米或者伏安/平方米；A为

室内大小。每个照明场所的负荷密度K

s

可以通过查表获得，阅览室的照明负荷密度值为22~27伏安/平方米，电源负荷密度为12~17伏安/平方米。

2.4 具体方案

根据以上涉及到的方面，本章以图书馆照明要求为标准，针对灯具选择、安装位置、高度确定、负荷计算等方面进行设计和计算。

2.4.1 设计任务

说到对照度要求高的场所，图书馆阅览室众人皆知。根据照度标准，距离水平面0.7米处的照度要达到120~180~280勒克斯的标准。本文设计的图书馆阅览室的面积如下

A = 12 ? 10 = 120平方米

房间有3.7米高的空间，假设为5层，每层8间阅览室，开放时间，星期一到星期天，上午7:50~11:50，下午13:30~17:30，晚上18:30~21:30。照明设计有几个要求，如下

(1)照度大于或等于200 勒克斯；

(2)寻找合适的光源并计算光源数量；

(3)设计合理的灯具摆放方案；

(4)计算照明的负荷值。

2.4.2 照度计算

这里选用松下T8型45W直管荧光灯（FAC41610PH），管长1250 毫米，光通量的值为2500 流明，光效的值为60 流明/瓦，单管荧光灯作为灯具的最佳选择[7]。

室空比

RCR = 5h(L + W) / (L?W) = 3.392

通过查表得知照度为1勒克斯时的单位容量P

= 0.05瓦/平方米。假设房间内各个

光反射比一样，灯具效率为72%，修正系数C

1、C

2

、C

3

都为1。

通过单位容量法，即得出

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P = P 0?A ?E ?C 1?C 2?C 3 =0.05 W/m 2 ? 12 ?10 (m 2) ?180 lx = 1080W

整个房间需要的最低功率为1080W 。所以，共需光源1080W / 45W = 24(盏)，平均

照度估计可达到

()()200.72472%25002101210 1.2

μη??????===???av n F

E lx A K m 所以，满足照度要求。

2.4.3 灯具摆放

假设使用均匀布置法，每盏灯之间的横间距为1400 毫米，纵间距1428 毫米，如图2-8所示。

图2-8 阅览室照明灯具布置图

2.4.4 负荷计算

通过需要系数法，并且查表可得知K z = 0.7，则有功负荷为

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第14 页

P js = K

z

?P

s

= 0.7?24?45W = 756W

假设每天开门时间有11个小时，一般情况下估计有5个小时需点亮所有灯，而每天所消耗的电量为

756?10-3kW?5h?40(间) = 151.2kWh

一年（360天）预计消耗电量

151.2kWh?360 = 54432kWh

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3 智能照明

3.1 引言

信息、新材料与控制技术的发展越来越快，因此智能照明设计的主要方向逐渐转向了能源的节约。传统的设计简单，但并不节能。本章节通过运用现代化的信息和控制技术，实现智能化照明，改善传统设计模式。以节约能源为主要目标，找寻良好的灯具型号、安装位置、负荷功率以及照度之间的紧密关系，建立数学模型，为现代化智能照明提供参考。

本章节首先讲解了影响照度的主要因素，而后假想出数学模型，最后总结了基于lonworks 总线技术的智能照明设计方法。

3.2 影响因素

照度也就是在照射面每个单位上吸收的光[8]，我们用E 表示。

Φ=E S （3-1） 公式中，S 表示照射面积，Φ表示总光通量。线性叠加是照度最显著的特性，假设房间内有N 个光源，它们在地面B 点照度分别为E 1，E 2，... ，E N ，那么就可以说，B

点总照度1==∑N

i E Ei 。 3.2.1 因素-安装高度

图3-1中，D 为灯具，h 为光源与被照物的高度，r 为光源与B 点的距离，θ为r 和h 间的夹角。

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图3-1 照度与安装高度关系图 假设光源在DB 的发光强度为θI ，则其在B 点的水平照度E S 为

2cos S I E r θθ?=

（3-2） 或者

32cos θθ?=S I E h （3-3） 由此可见，被照物某一点照度与光源高度、在该点方向的光强度和垂直方向夹角均有关。在设计的过程中，光源高度的设置不仅不能产生眩光，也不能降低照度，亦或者浪费电能。所以，合理的安装高度是设计中要考虑的重要因素之一。

3.2.2 因素-型号功率

在智能照明设计时，一般运用利用系数法计算照度，计算方法如下公式。

0μη???=?av F n E A k

（3-4） 在设计的过程中，各个型号的灯具置于不一样的环境下，照度的补偿系数也是不一样的，在计算照度时会产生直接影响。通常情况下，同型号的灯具，环境整洁时要比环境脏乱时小。不同型号的灯具，因为效率不一样，所以对照度影响也不一样，就算是同型号的灯具，因为功率不一，对照度的影响也不一样。很明显，功率越大，光通量就越大，照度就越强，然而，就会产生更多的消耗。在现实设计中，灯具的选用很重要，效

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