高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)設(shè)計

謝一凡+陳華麗

摘 要： 為解決目前大學(xué)教室燈光長明造成的電量浪費(fèi)問題，提出了由MSP430單片機(jī)、光頻轉(zhuǎn)換器和人體感應(yīng)傳感器組成的節(jié)能智能控制系統(tǒng)，通過合理安排時間以及綜合處理人體和光強(qiáng)信號，來實(shí)現(xiàn)燈光的智能開、關(guān)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；節(jié)能；智能控制

Abstract： This paper developing a system to solve the energy waste problem caused by the long time lighting in university classrooms. The system is composed of MSP430 single chip microcomputer， light-to-frequency converter and infrared sensor. Through making reasonable arrangements of time， processing physiology signal and light intensity comprehensively， the system saves significant energy and works intelligently.

Key words： MCU；energy-saving； intelligent control

社會可持續(xù)發(fā)展的主要問題在于能源，節(jié)約能源需要我們從生活的方方面面做起。僅以高校教室為例，由于管理不夠科學(xué)規(guī)范，每年都會有大量的電力資源白白浪費(fèi)。我國高校目前的教室燈光管理絕大多數(shù)依賴人工，由于教室數(shù)量多，管理員無法對每間教室都實(shí)施及時的控制，常常出現(xiàn)教室無人時開燈、光線充足時也開燈的“長明燈”現(xiàn)象，造成了不必要的電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。以我校為例，就公共教學(xué)區(qū)來說，粗略統(tǒng)計大約有30000盞燈，每盞燈36W，按每天亮燈（從早晨8點(diǎn)到晚上9點(diǎn)正常運(yùn)行）13個小時計算，扣除一年三個月的假期，一年教室照明的耗電量大約為389.08萬度，依照現(xiàn)行電價0.573元/度，學(xué)校在教學(xué)樓耗電上要支出約222.94萬元。若按每天只浪費(fèi)用電2小時，則白白流失的就有61.24萬度電，多支出34.3萬元。試想全國所有高校每天浪費(fèi)的電量該是多么龐大的數(shù)字。為了解決這種情況，設(shè)計出高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)，使教室燈光能夠按需分配，實(shí)現(xiàn)人到燈開、人走燈滅、智能節(jié)能。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)采用由上下位機(jī)組成的主從式結(jié)構(gòu)，對教室進(jìn)行分區(qū)域控制[1]。主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制各個教室中的下位機(jī)，對不同的區(qū)域安裝光頻轉(zhuǎn)換器和人體感應(yīng)傳感器，分別測量教室內(nèi)的光強(qiáng)和人員分布情況，實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)不同區(qū)域的燈光開關(guān)，從而能夠有效節(jié)省電源。

各個教室中的下位機(jī)以時間作為啟動和關(guān)閉系統(tǒng)的依據(jù)，以光強(qiáng)及人體信號作為系統(tǒng)啟動后開關(guān)燈的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在工作時間內(nèi)，如有模式信號輸入則系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的模式；若無，則進(jìn)入自習(xí)模式。不在工作時間，如有手動信號輸入，則根據(jù)手動任務(wù)的設(shè)定運(yùn)行；若無，則關(guān)閉所有的燈。

系統(tǒng)預(yù)置有不同的工作模式：講課模式、自習(xí)模式，供用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇使用，且各模式之間可以自動切換，使操作更加便捷。

1.講課模式。由于每個教室排課不同，通過上位機(jī)PC軟件將對應(yīng)課表下載到不同的教室，將“有課”、“無課”分別設(shè)置為“1”和“0”，存儲在下位機(jī)的FLASH中[2]。下位機(jī)則處于定時工作狀態(tài)，每堂課開始的前5分鐘，教室中的下位機(jī)會進(jìn)行一次判斷，如果對應(yīng)有課，則開啟講課模式，教室燈光全開；如果沒有課，則關(guān)閉教室全部燈光，進(jìn)入“自習(xí)模式”。

特別地，有時存在教師臨時更換上課地點(diǎn)，故講臺上也放置一個人體感應(yīng)傳感器，在進(jìn)入講課模式后，每隔5分鐘探測1次講臺上是否有人上課，執(zhí)行2次這樣的操作，并將2次檢測結(jié)果取邏輯“或”運(yùn)算。如果為“真”，則說明有人上課，繼續(xù)執(zhí)行“講課模式”；如果為“假”，則進(jìn)入“自習(xí)模式”。下位機(jī)的判斷過程如圖1所示。

2.自習(xí)模式。將教室分為A、B、C、D四個區(qū)域，如圖2所示，每個區(qū)域房頂正中放置一個人體感應(yīng)傳感器HC-SR501[3]和光頻轉(zhuǎn)換器[4]。當(dāng)下位機(jī)處于自習(xí)模式時，輸入?yún)?shù)為人體存在信號和光強(qiáng)度信號，若某區(qū)域的人體感應(yīng)傳感器檢測到有效信號，系統(tǒng)判斷此時光頻轉(zhuǎn)換器采集到的光強(qiáng)，如果高于設(shè)定閾值（光線較弱），則打開對應(yīng)區(qū)域的日光燈；如果低于閾值（外界光線很強(qiáng)），無論教室是否有人，都不開燈，如圖3所示。

圖2 教室內(nèi)區(qū)域劃分圖

圖3 自習(xí)模式流程圖

二、系統(tǒng)具體設(shè)計

1.上位機(jī)設(shè)計。用C#編寫含有以下2個功能的軟件[5]：①能將課程表分別導(dǎo)入到各教室中的下位機(jī)；②能將各下位機(jī)的燈光開關(guān)狀態(tài)顯示在上位機(jī)界面。

將教學(xué)樓的所有教室組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。管理人員通過上位機(jī)PC上的軟件實(shí)現(xiàn)對各個教室的監(jiān)控，用MSP430芯片制作一個中轉(zhuǎn)控制器[6]，如圖5所示，作為上下位機(jī)間的樞紐，保證通信的有效性。

上位機(jī)軟件從教務(wù)處導(dǎo)出各個教室的本學(xué)期的課表，用數(shù)據(jù)庫SQL Sever存儲[7]。同時設(shè)置為每天凌晨向各個下位機(jī)發(fā)送每天更新后的課表信息，PC機(jī)與中轉(zhuǎn)控制器的RS232接口建立通信[8]，由于每個教室在IIC總線上都有唯一地址，此時IIC總線通過總線裁決，決定哪個教室占用總線，中轉(zhuǎn)控制器通過IIC接口將信息發(fā)送至對應(yīng)教室。在更新完課表信息后，中轉(zhuǎn)控制器設(shè)置為從機(jī)，各個下位機(jī)定時將教室燈光信息反饋至上位機(jī)界面，使得管理人員能夠掌控每個教室具體的燈光情況，提高了監(jiān)控效率。

2.下位機(jī)設(shè)計。下位機(jī)的課表、燈光信息存儲在單片機(jī)FLASH中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)掉電保護(hù)。系統(tǒng)還加入密碼控制，以增加系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。通過鍵盤完成設(shè)定密碼、初始化時間。時鐘模塊采用芯片DS1302[9]，該芯片不僅能夠顯示秒、分、時、日期、月份和年份信息，還可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)，為時鐘電路提供電源，如圖6所示。

下位機(jī)以時間作為啟動和關(guān)閉系統(tǒng)的依據(jù)，以光強(qiáng)及人體信號作為系統(tǒng)啟動后開關(guān)燈的判斷標(biāo)準(zhǔn)。將時間作為控制依據(jù)進(jìn)一步加強(qiáng)對節(jié)能的監(jiān)管，明確工作時間與非工作時間的界限。

具體來說，將6：00～22：00設(shè)置為工作時間，在工作時間段內(nèi)系統(tǒng)自動在“講課模式”和“自習(xí)模式”之間隨時間的變化不斷切換；在非工作時間內(nèi)，系統(tǒng)自動關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。而系統(tǒng)在不同的模式下開關(guān)燈的標(biāo)準(zhǔn)不同，講課模式下燈光自動全開，也可根據(jù)需要手動強(qiáng)制開關(guān)燈；自習(xí)模式下，將人體感應(yīng)模塊HC-SR501參數(shù)設(shè)置為延時時間1分鐘和可重復(fù)觸發(fā)，光頻轉(zhuǎn)換模塊閾值設(shè)定為白天不低于150lx，晚上不低于200lx。當(dāng)有人體信號后，判斷此時光強(qiáng)，若高于閾值不開燈，低于閾值開燈。這樣只要人仍在有效探測區(qū)域內(nèi)，人體感應(yīng)傳感器便能不斷檢測到，延時被重復(fù)觸發(fā)，而不在時，該區(qū)域燈滅。從而實(shí)現(xiàn)人到燈開，人走燈滅。

3.人數(shù)統(tǒng)計。在教室門口放置人數(shù)統(tǒng)計裝置，其分布圖如圖7所示，A、B處各放置一個紅外收發(fā)對管，當(dāng)無人通過時電壓保持不變，設(shè)為狀態(tài)“0”，有人通過時電壓變化，設(shè)為狀態(tài)“1”。有A、B狀態(tài)真值表如表1所示。

程序中設(shè)置全局變量判斷教室內(nèi)人數(shù)，當(dāng)紅外接收管電壓發(fā)生變化時系統(tǒng)發(fā)生中斷，通過查詢數(shù)組值判斷A、B的變化情況。例如當(dāng)有人進(jìn)門時，A由“0”變?yōu)椤?”，B仍為“0”，將總?cè)藬?shù)值加1；同理，當(dāng)B由“0”變?yōu)椤?”時，總?cè)藬?shù)值減1；當(dāng)A、B皆為“1”時，說明同時有人進(jìn)出，此時總?cè)藬?shù)不變。

上位機(jī)可以通過軟件了解各個教室的實(shí)時人數(shù)，從而大致判斷教室內(nèi)上課的出勤率。同時可以計算出各個教室的空位數(shù)，學(xué)生可以通過大廳的顯示畫面了解去哪個教室自習(xí)。

三、結(jié)束語

系統(tǒng)的設(shè)計從低碳、環(huán)保的理念出發(fā)，立足于節(jié)能，適用于高校教室照明控制。采用多模式控制，實(shí)現(xiàn)各模式之間的自動轉(zhuǎn)換，滿足教室上課、自習(xí)、多媒體等多用途的需求。課表模式的引入不僅從全局上能夠網(wǎng)絡(luò)化管理燈光，也能實(shí)現(xiàn)局部的差異性。通過實(shí)際測試，人數(shù)判斷較為精準(zhǔn)，但是當(dāng)兩人同時進(jìn)出門時統(tǒng)計可能產(chǎn)生誤差。

參考文獻(xiàn)

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