CN115151000A - 一种大空间阅读环境节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大空间阅读环境节能方法，该方法将阅读环境内的顶棚分为多个区域，并在区域的边界上分布多个光照度传感器和多个温湿度传感器，各区域内设置LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备。本发明通过FMWC毫米波雷达传感器识别每个区域区内是否有人存在，为有读者的区域提供一种恒照度、恒定温湿度等舒适阅读环境，关闭或调低无人区域照明，减少了LED灯具、温度、湿度调节设备等用电设备耗能，能够解决大型自习室、大型阅读室，图书馆自习区，大型办公室，写字楼等较大空间过大能源浪费问题，减少了工作人员工作量，实现了智能化控制。

Description

一种大空间阅读环境节能方法

技术领域：

本发明属于照明技术领域，涉及一种应用于大型自习室、大型阅读室、图书馆自习区(查阅区)、大型办公室、写字楼等较大空间照明的大空间阅读环境节能方法。

背景技术：

目前在大型自习室等较大空间公共场所，一般由工作人员手动控制照明灯具、风扇、空调等用电设备。当开始营业到打样，一天中至少有8～10个小时处于持续耗能状态，有的场所甚至开通了24h营业服务(自助服务)。如果工作人员管理不到位或客户缺少节能意识，会造成极大的能源浪费。

无论经营这类场所的管理人员还是照明供应商(智能控制厂商)逐渐地意识到这一点，推出了很多诸如雷达感应、红外人体热释电、声光控LED灯具或开关等产品。这些产品引入虽然可以起到一定的节能作用，但是同时也存在一定的不足。如果采用光学图像装置检测目标区域人体是否存在，那么装置会很复杂，难度大，有侵犯个人隐私的嫌疑，易引起纠纷。

声光控智能开关并不适用于自习室等安静场所，雷达感应开关又无法识别较长时间保持静止状态的人体，造成灯具会间断性熄灭；如专利申请号为201520544539.3的“一种灯光自动控制器”，通过人体热释电传感器及照度传感器等器件，已实现当室内无人时或日间光线充足时，照明灯具自动关闭的功能。但是不能控制灯具、风扇、空调等用电设备随外界环境变化而变化，无法满足桌面恒照度阅读光环境及温湿度等较舒适体感环境。若单独使用人体热释电传感器，当人体被遮挡，或有其他热源时可能无法识别或被误触发，造成控制效果混乱，不适用于大型自习室等环境。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种大空间阅读环境节能方法。

为了解决上述技术问题，本发明的大空间阅读环境节能方法如下：

在阅读环境内设置FMWC毫米波雷达传感器；将顶棚分为多个多边形个区域，每个多边形区域的边界上分布多个光照度传感器和多个温湿度传感器，多边形区域内设置LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到阅读环境内有人员进入；针对任一区域，若该区域光照度传感器监测的照度平均值低于20lx时，则控制该区域设定的LED灯具点亮，使得该区域光环境平均照度值达到20～25lx；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到移动人员停止大幅度移动后，开启人员停止位置所在区域所有LED灯具并调节其输出功率，使该区域光照度传感器监测的照度平均值达到300lx；当FMWC毫米波雷达传感器监测到人员静止时间超过20分钟或者人员呼吸频率不大于20次/min，并且该区域温湿度传感器检测到的温度均值低于22℃或高于25℃情况下，开启温度调节设备直至该区域温度达到22℃～25℃后关闭；在该区域温湿度传感器检测到的湿度均值超出设定阈值40％～60％情况下，开启湿度调节设备直至湿度达到设定阈值区间的中间值后关闭；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到某一区域全部人员离开该区域后，延时10分钟关闭该区域所有LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到所有人员离开阅读环境，延时10分钟关闭室内所有LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备。

进一步，所述的多边形区域为四边形区域，每个区域边界中间位置设置一个光照度传感器和一个温湿度传感器。

进一步，所述的四边形区域尺寸为7×7m，区域内排布3行×3列LED灯具。

当FMWC毫米波雷达传感器监测到阅读环境内有人员进入；针对任一区域，若该区域光照度传感器监测的照度平均值低于20lx时，则控制该区域中间及四角的LED灯具点亮，使得该区域光环境平均照度值达到20～25lx。

进一步，所述的LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备通过控制系统进行控制；控制系统包括1个总控制单元和N个区域的子控制单元；各区域光照度传感器和温湿度传感器采用Zigbee无线传输方式将监测的区域光照度和温湿度传输给对应的区域子控制单元；FMWC毫米波雷达传感器、各区域的子控制单元通过以太网与总控制单元通信；各区域的LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备通过物联网与总控制单元通信；总控制单元根据各区域子控制单元发送的照度、温度、湿度监测数据控制对应区域LED灯具、温度调节设备、湿度调节设备的开启和关闭，以及调控LED灯具的输出功率。

所述的LED灯具内部的智能调光电源内置Zigbee模块，LED灯具通过Zigbee智能网关与各区域的子控制单元实现数据交换。

当FMWC毫米波雷达传感器、光照度传感器或者温湿度传感器发出错误逻辑或信号时，关闭无人区域LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备。

有益效果：

本发明能够解决大型自习室、大型阅读室，图书馆自习区(查阅区)，大型办公室，写字楼等较大空间过大能源浪费问题；减少工作人员(管理人员)工作量，实现智能化控制；特别是能够识别每个区域区内是否有人存在，为有读者区域提供一种恒照度、恒定温湿度等舒适阅读环境，又能关闭或调低无人区域照明、减少LED灯具、温度、湿度调节设备等用电设备耗能。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是光照度传感器、温湿度传感器及LED灯具分布示意图。

图2是大型自习室分区控制框图。

图3是本发明的流程图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不能代表全部实施例。通常在此处附图和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置布置和设计。

本发明以形状规整大型自习室为例加以说明，其余大型阅读室、图书馆自习区(查阅区)、大型办公室、写字楼等控制方法类似。

以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的大空间阅读环境节能方法具体如下：

在大型自习室墙壁或者顶棚上设置FMWC毫米波雷达传感器；将顶棚分为N个矩形、三角形或者六边形等多边形区域，多边形区域的边界上分布多个光照度传感器和多个温湿度传感器，多边形区域内顶棚设置LED灯具、空调或者风扇等温度调节设备、加湿器和除湿器等湿度调节设备。如图1所示，以四边形区域为例，每个区域尺寸设定为7×7m，LED灯具的排布方式设置成3行×3列。图1中以矩形代表LED灯具设定分布位置。在暗环境时，该区域LED灯具满功率使用时，可以使桌面照度达到500lx。又依托周围光环境因素影响，调整LED灯具输出功率，可以使桌面照度达到理想阅读光环境要求(桌面照度≥300lx，且均匀性≥0.7，参见CQC3155-2016《中小学校及幼儿园教室照明产品》)。每个区域边界中间位置设置一个光照度传感器和一个温湿度传感器，见图1各分区边缘圆圈位置。相邻多边形区域共用公共边界上的光照度传感器和温湿度传感器，极大减少了传感器用量，并且可以复测以取平均值的方式减小测量误差，避免因某传感器损坏而出现误操作发生。

如图2所示，大型自习室控制系统包括1个总控制单元和N个区域子控制单元；各区域光照度传感器和温湿度传感器采用Zigbee无线传输方式将监测的区域光照度和温湿度传输给对应区域的子控制单元；各LED灯具通过智能调光电源中内置Zigbee模块与Zigbee智能网关建立连接，通过Zigbee智能网关与对应区域的子控制单元实现数据交换(Zigbee智能网关与子控制单元数量根据实际环境对无线信号传输影响情况适量增减)，可将LED灯具运行状态反馈给子控制单元，在总控制单元发出开启指令而LED灯具仍处于未开启状态后，子控制单元再次通过总控制单元发出指令开启LED灯具；FMWC毫米波雷达传感器、各区域的子控制单元通过以太网(有线或无线)与总控制单元通信；这种连接方案技术比较成熟，稳定性好；N个区域的子控制单元中风扇、空调、加湿器、除湿器等用电设备通过物联网与总控制单元通信，各个用设备根据其各自性能均匀分布，适量增减数量；总控制单元根据各区域子控制单元发送的照度、温度、湿度监测数据控制对应区域LED灯具、温度调节设备、湿度调节设备的开启和关闭，以及调控LED灯具的输出功率。

这种布线方式简洁明了，且该技术非常成熟，能够实现本发明预期控制效果，人为干扰因数降到最低。

各区域的子控制单元可以发出指令，不断采集光照度传感器反馈的照度值及温湿度传感器反馈的温度值和湿度值，计算各区域光照度传感器反馈的照度值平均值、温湿度传感器反馈的温度值平均值和湿度值平均值，将照度值平均值、温度值平均值和湿度值平均值与设定阈值范围进行比较，总控制单元根据比较结果分别控制相应区域LED灯具、空调、风扇、加湿器、除湿器等用电设备工作，以调节相应区域的照度、温度和湿度达到设定阈值内，使有人员阅读的区域达到最舒适程度。

本发明采用FMWC毫米波雷达技术来检测该区域是否有人存在。FMWC毫米波雷达波长为1～10mm，传播时衰减小，纵向目标探测距离与速度能力强，受外界环境(光、热、声)影响小，穿透力强，可实现远距离感知与探测，信号提取与信号去噪等处理较易，对于静态和动态目标均匀能作出高精度测量等优点，是实现人体传感器应用的理想技术。

通过FMWC毫米波雷达系统发送信号、接触物体回波信号、信号接收、信号处理等一系列过程，可以检测人体运动特征(人体走动等肢体大范围动作)及微运动特征(心跳、呼吸)来综合判定该区域确实有人存在。

FMWC毫米波设定为连续周期信号，则发射电磁波信号表示为：

T(t)＝Acos(2πft+φ(t)) 公式1

上式中，A为振幅，f为电磁波频率，φ(t)为相位噪声；

如果人体胸腹部分距离雷达发射模块距离为d,那么被测试的人进行呼吸时，胸部的位移变化表示为x(t)，那么在呼吸周期电磁波从发射到接收的总距离可以表示为：

d(t)＝2d+2x(t) 公式2

那FMWC毫米波雷达被探测到的人体胸部部位反射回来的电磁波信号可以表示为：

其中：A′为反射接收到的电磁波振幅，忽略其他因数，默认A＝A′；

λ表示波长，取值范围1～10mm，本发明取值λ＝4.54mm，电磁波频率取值66Ghz。

将FMWC毫米波发射的本振频率量与接收射频信号频率量进行混频处理(模拟乘法器)产生和、差频信号，可以表示为：

其中：η为常数，表示固定的相位相移，为混频器与天线之间的相位延迟补偿；

由公式4可知，变化因数有

通过信号处理器不断收集周期性变化参数，比对为人体周期性呼吸频率；

FMWC毫米波雷达收发装置按照实际监测能力布置，本发明选用的方案具有30米内监测能力，能够分辨出人体单位周期内位移偏差(运动速度)，还具有识别微运动能力(人体胸部因呼吸引起的起伏动作，平静呼吸时膈肌移动度约为1.0cm，深呼吸时膈肌可上移2～3cm、下移3.0～4.0cm)。

在本发明中，只需要判断是否有人存在，然后判断该人员是否在行走还是处于静止阅读状态即可，无需精确检测该人员的心律，情绪波动，行走快慢等参数，故判定过程较易实现。

表1：呼吸快慢特性表

呼吸类型	次/min	频率范围
			呼吸过缓	8～12	0.133～0.200
呼吸正常	16～20	0.267～0.333
			呼吸过急	24～35	0.400～0.583

如图3所示，当大型自习室开始营业，各LED灯具、空调、加湿器、除湿器、风扇等用电设备开机，设置为待机状态；总控制单元、各区域的子控制单元开机工作，实时采集FMWC毫米波雷达传感器、光照度传感器、温湿度传感器传输信号。

当FMWC毫米波雷达传感器监测到大型自习室内有人员进入；针对任一区域，若该区域光照度传感器监测的照度平均值低于20lx时，则总控制单元发出控制信号，使该区域LED灯具间隔点亮(即四角及中间的LED灯具点亮)，且单盏LED灯具功率调节到最大输出功率的7％，点亮的LED灯具总的输出功率为12～16W之间，使得该区域光环境平均照度值达到20～25lx，从而使自习室内各区域光环境都满足人员辨别物体要求；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到移动人员停止大幅度移动后，开启人员停止位置所在区域所有LED灯具并调节其输出功率使该区域光照度传感器监测的照度平均值达到300lx，同时开始计时，方便该位置人员临时查找书籍或资料等；当FMWC毫米波雷达传感器监测到人员静止时间超过20分钟，或者人员呼吸频率不大于20次/min时，说明该人员处于阅读状态。如果该区域温湿度传感器检测到的温度均值低于22℃或高于25℃，则总控制单元作出命令开启空调或风扇调节该区域温度，直至温度达到22℃～25℃；本发明中相对湿度设定阈值为40％～60％，如果所测相对湿度均值未在设定的湿度阈值内，那么由总控制单元发出命令开启加湿器或除湿器，调节该区域相对湿度直至达到设定阈值的中间值后即可关闭加湿器或除湿器，可保护加湿器或除湿器避免频繁开启。这样该区域光照度、温度、湿度等外界环境达到人体最佳阅读环境，有助于读者全身心投入阅读中，提升阅读质量。

当FMWC毫米波雷达传感器、光照度传感器或者温湿度传感器发出错误逻辑或信号时，代表传感器或系统故障需要工作人员检修，无人区域关闭用电设备。

当FMWC毫米波雷达传感器监测到某一区域全部人员离开该区域后，延时10分钟，再次确认该区域无人员存在，则总控制单元发出命令关闭该区域所有用电设备。

当FMWC毫米波雷达传感器监测到所有人员离开自习室后，延时10分钟，再次确认自习室无人员存在，则总控制单元发出命令关闭自习室内所有用设备。

Claims (7)

1.一种大空间阅读环境节能方法，其特征在于该方法如下：

在阅读环境内设置FMWC毫米波雷达传感器；将顶棚分为多个多边形个区域，每个多边形区域的边界上分布多个光照度传感器和多个温湿度传感器，多边形区域内设置LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到阅读环境内有人员进入；针对任一区域，若该区域光照度传感器监测的照度平均值低于20lx时，则控制该区域设定的LED灯具点亮，使得该区域光环境平均照度值达到20～25lx；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到移动人员停止大幅度移动后，开启人员停止位置所在区域所有LED灯具并调节其输出功率，使该区域光照度传感器监测的照度平均值达到300lx；当FMWC毫米波雷达传感器监测到人员静止时间超过20分钟或者人员呼吸频率不大于20次/min，并且该区域温湿度传感器检测到的温度均值低于22℃或高于25℃情况下，开启温度调节设备直至该区域温度达到22℃～25℃后关闭；在该区域温湿度传感器检测到的湿度均值超出设定阈值40％～60％情况下，开启湿度调节设备直至湿度达到设定阈值区间的中间值后关闭；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到某一区域全部人员离开该区域后，延时10分钟关闭该区域所有LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备；

当FMWC毫米波雷达传感器监测到所有人员离开阅读环境，延时10分钟关闭室内所有LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备。

2.根据权利要求1所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于所述的多边形区域为四边形区域，每个区域边界中间位置设置一个光照度传感器和一个温湿度传感器。

3.根据权利要求2所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于所述的四边形区域尺寸为7×7m，区域内排布3行×3列LED灯具。

4.根据权利要求3所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于当FMWC毫米波雷达传感器监测到阅读环境内有人员进入；针对任一区域，若该区域光照度传感器监测的照度平均值低于20lx时，则控制该区域中间及四角的LED灯具点亮，使得该区域光环境平均照度值达到20～25lx。

5.根据权利要求1所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于所述的LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备通过控制系统进行控制；控制系统包括1个总控制单元和N个区域的子控制单元；各区域光照度传感器和温湿度传感器采用Zigbee无线传输方式将监测的区域光照度和温湿度传输给对应的区域子控制单元；FMWC毫米波雷达传感器、各区域的子控制单元通过以太网与总控制单元通信；各区域的LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备通过物联网与总控制单元通信；总控制单元根据各区域子控制单元发送的照度、温度、湿度监测数据控制对应区域LED灯具、温度调节设备、湿度调节设备的开启和关闭，以及调控LED灯具的输出功率。

6.根据权利要求5所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于所述的LED灯具内部的智能调光电源内置Zigbee模块，LED灯具通过Zigbee智能网关与各区域的子控制单元实现数据交换。

7.根据权利要求1所述的大空间阅读环境节能方法，其特征在于当FMWC毫米波雷达传感器、光照度传感器或者温湿度传感器发出错误逻辑或信号时，关闭无人区域LED灯具及温度调节设备、湿度调节设备。

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