基于單片機(jī)的教室節(jié)能與智能化控制

袁天馳 （天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津3003841）

梁國祥 （寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100）

目前，教室中的主要耗能電器為傳統(tǒng)熒光燈。目前大多數(shù)采用人力機(jī)械式開關(guān)控制傳統(tǒng)熒光燈的亮滅，這需要學(xué)生根據(jù)天氣和光照條件自覺改變亮燈的數(shù)量。傳統(tǒng)的控制方法造成了學(xué)校用電的巨大浪費(fèi)［1－2］。有調(diào)查顯示，采用傳統(tǒng)控制方式的100個(gè)教室僅照明耗電可以達(dá)到1904kW·h，如果在21∶30以后關(guān)閉一半教室的燈光，一天可以節(jié)約電能408kW·h。2005年12月12日，建設(shè)部全國建筑節(jié)能專項(xiàng)檢查組專家指出，節(jié)能住宅不可忽視自動(dòng)進(jìn)風(fēng)排風(fēng)系統(tǒng)。目前國內(nèi)教室的窗戶和通風(fēng)系統(tǒng)采用人力開關(guān)控制方式，不能根據(jù)室內(nèi)CO2的濃度和空氣質(zhì)量自動(dòng)通風(fēng)換氣。室內(nèi)聚集的CO2大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率并且不利于學(xué)生的身心健康［3］。由此可見，研究以教室節(jié)能和智能化控制為目的的新型教室用電設(shè)備是十分必要的?寧德師院服務(wù)海西建設(shè)項(xiàng)目（2011H202；2012H307）。。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由上位機(jī)系統(tǒng)的程序端、下位機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)采集與分控制器端以及以太網(wǎng)構(gòu)成的通信系統(tǒng)3部分組成。這3部分共同完成照度、紅外、溫濕度和CO2檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)燈光、窗戶和通風(fēng)電機(jī)的控制。

主控制器與分控制器通過以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸。分控制器實(shí)時(shí)采集各傳感器的信號(hào)，判斷各檢測(cè)的信號(hào)是否超過閾值，來驅(qū)動(dòng)繼電器的通斷，完成教室的節(jié)能減排控制。主控制器的客戶端軟件可以發(fā)送數(shù)據(jù)或命令到分控制器，完成教室照明燈具以及其他設(shè)備的手動(dòng)控制。當(dāng)發(fā)送命令時(shí)，分控制器采用中斷的方式接收主機(jī)發(fā)來的信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖1 教室節(jié)能與智能化控制系統(tǒng)框圖

2 結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

2.1 教室燈光節(jié)能結(jié)構(gòu)電路

從系統(tǒng)的功能來看，系統(tǒng)檢測(cè)的教室信號(hào)有人體紅外、溫濕度、光照強(qiáng)度等。當(dāng)分控制器通過人體紅外檢測(cè)到教室有人時(shí)，結(jié)合教室內(nèi)溫濕度、光照情況等外部因素，動(dòng)態(tài)決策教室各用電設(shè)備的節(jié)能匹配方案。當(dāng)教室環(huán)境光照滿足照明規(guī)范要求時(shí)，控制所有的燈具保持關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)教室光照強(qiáng)度不夠，且檢測(cè)到有人在教室時(shí)，分控制器能根據(jù)實(shí)際需要決策照明方案，使教室燈光能高效節(jié)能穩(wěn)定的運(yùn)行。其系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 教室燈光節(jié)能控制組成框圖

2.2 教室智能門窗控制結(jié)構(gòu)電路

智能門窗控制單片機(jī)為AT89C51芯片核心器件，主要由人體紅外信號(hào)檢測(cè)、溫濕度以及CO2濃度信號(hào)采集和調(diào)理電路、輸出控制電路等組成。教室智能門窗控制模塊由CO2傳感器、濕度感受器、溫度傳感器、單片機(jī)和電機(jī)等組成。通過溫、濕度傳感器和CO2傳感器檢測(cè)教室環(huán)境狀況，單片機(jī)根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的開關(guān)，調(diào)節(jié)窗戶的開關(guān)及打開程度。同時(shí)擁有儲(chǔ)備電源，停電時(shí)可以利用上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。通過與轉(zhuǎn)軸、電機(jī)、電磁鎖的組合，達(dá)到利用電機(jī)、電磁鎖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教室門窗的智能開關(guān)。當(dāng)晚間教室沒有人時(shí)，管理人員可以遠(yuǎn)程控制門的自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)白天上課時(shí)，管理人員可以遠(yuǎn)程控制門的打開［4－5］。系統(tǒng)的控制組成框圖如圖3所示。

圖3 智能門窗控制結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 感光檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)安置4路光敏電阻作為感光傳感器，分別位于教室的前后左右，檢測(cè)不同區(qū)域的光照強(qiáng)度，從而確保教室光線檢測(cè)的穩(wěn)定性；根據(jù)光敏電阻的阻值與光強(qiáng)的關(guān)系，其阻值隨教室內(nèi)部光線的變亮而上升或下降。

光敏模塊將采集到的光照模擬量信息傳送給PCF8591芯片的A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，通過I2C總線，傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將得到的信號(hào)進(jìn)行處理后再次回傳給PCF8591芯片的D／A轉(zhuǎn)換器，得到最大值為5V的電壓信號(hào)。然后再利用LM358搭建放大電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～10V的模擬信號(hào)。

3.2 人數(shù)檢測(cè)原理

教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，采用2個(gè)平行放置的E18－D80NK紅外避障模塊。該模塊集發(fā)射和接收為一體的光電傳感器。當(dāng)前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口電平會(huì)從高電平變成低電平。模塊上有一個(gè)電位器可以調(diào)節(jié)障礙的檢測(cè)距離，一旦調(diào)節(jié)好電位器（如調(diào)節(jié)好的最大距離50cm）則在有效距離內(nèi)（如40cm處有障礙物、10cm處有障礙物）則輸出低電平，低電平剛好給單片機(jī)識(shí)別。2個(gè)紅外避障模塊平行放置，可以通過測(cè)量人進(jìn)出教室時(shí)方向的不同從而達(dá)到計(jì)量教室人數(shù)的功能。如進(jìn)入時(shí)先觸發(fā)一號(hào)紅外避障模塊，然后2個(gè)避障模塊同時(shí)處于觸發(fā)狀態(tài)，接下來跨越一號(hào)的檢測(cè)范圍，僅觸發(fā)二號(hào)避障模塊，然后2個(gè)模塊都處于空閑狀態(tài)。出門時(shí)，狀態(tài)相反。達(dá)到計(jì)量人數(shù)的目的。同時(shí)，對(duì)出發(fā)時(shí)間進(jìn)項(xiàng)檢測(cè)，當(dāng)一號(hào)觸發(fā)50ms后二號(hào)還沒觸發(fā)則認(rèn)為該同學(xué)未進(jìn)入教室，而是轉(zhuǎn)身出去了。有效減少了誤觸發(fā)的次數(shù)，加強(qiáng)了統(tǒng)計(jì)精確程度。

3.3 溫濕度和CO2檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，集成有專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)置有一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)8位單片機(jī)相連接。通過CO2傳感器感知環(huán)境中CO2的濃度，從而開啟排風(fēng)系統(tǒng)加大或降低通風(fēng)換氣的速度，同時(shí)可以感知煙霧濃度并及時(shí)通風(fēng)換氣，保持教室空氣清新。系統(tǒng)溫度、濕度和CO2檢測(cè)與調(diào)理電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制器通過以太網(wǎng)與分控制連接，將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送給分控制器，同時(shí)將信息送給數(shù)碼顯示單元進(jìn)行顯示，并對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行有效監(jiān)視等。其控制程序流程如圖5所示。

4.2 教室智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的要求教室智能照明軟件流程如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)溫濕度和CO2檢測(cè)與調(diào)理電路

圖5 主控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 教室智能照明軟件流程

單片機(jī)接收環(huán)境光強(qiáng)度檢測(cè)器輸出的光強(qiáng)信號(hào)和熱釋電紅外傳感器輸出的人體存在信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到教室內(nèi)照度X＞300lux時(shí)，所有燈都保持關(guān)閉的狀態(tài)；檢測(cè)教室內(nèi)照度X＜300lux時(shí)，若教室沒有人，所有燈都關(guān)閉；若某個(gè)區(qū)域有人則分區(qū)域開燈。

4.3 教室智能門窗控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)教室智能門窗控制系統(tǒng)的要求其軟件流程如圖7所示。

4.4 數(shù)據(jù)的傳輸

通信網(wǎng)絡(luò)是保證整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，所有的教室檢測(cè)控制單元連接在通訊網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)上，最終與中央計(jì)算機(jī)相連。系統(tǒng)利用控制單元連接轉(zhuǎn)換器將RS－232轉(zhuǎn)換為RS－485總線形式，然后將RS－485總線連接 Wi－Fi模塊，最終通過Wi－Fi模塊將RS－485總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為 Wi－Fi信號(hào)發(fā)布給上位機(jī)，上位機(jī)收Wi－Fi信號(hào)并利用軟件將Wi－Fi信號(hào)與虛擬串口連接。

圖7 教室智能門窗控制系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)語

為了有效利用教室燈光、節(jié)約能源和調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)環(huán)境，根據(jù)學(xué)校教室照明的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的教室節(jié)能與智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主控制器部分、分控制部分和通信部分組成。分控制采用單片機(jī)，可以對(duì)照度、紅外、溫濕度和CO2進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)的控制教室中的燈光、窗戶和通風(fēng)電機(jī)的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能和調(diào)節(jié)環(huán)境的需要。調(diào)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有很好的人機(jī)交互界面，能對(duì)教室燈光、溫濕度和CO2的濃度進(jìn)行智能控制，且電路簡(jiǎn)單，成本低，節(jié)約能源，可移植性好。主控制器采用上位機(jī)對(duì)分控制器進(jìn)行控制以及儲(chǔ)存信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用單片機(jī)和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了教室燈光和空氣質(zhì)量的節(jié)能控制，為智能化教室的未來發(fā)展提供了一種技術(shù)思路。

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