基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

毛靜

（安康學(xué)院電子與信息工程系，陜西安康725000）

基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

毛靜

（安康學(xué)院電子與信息工程系，陜西安康725000）

針對目前教室用電量的極大浪費，利用單片機和傳感技術(shù)開發(fā)設(shè)計了教室節(jié)能控制系統(tǒng)。討論了系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。對系統(tǒng)進行了測試，取得了良好的測試效果。該設(shè)計思想為智能家居系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考價值。

節(jié)能控制系統(tǒng)；傳感技術(shù)；CC2530；Zigbee

當(dāng)今社會，能源緊缺和節(jié)能減排是世界各國所面臨的重要問題之一［1-3］。電能作為人類生活中重要的緊缺能源之一，也需要整個社會節(jié)約使用［4-6］。然而，近年來，很多單位和個人用電存在浪費情況，尤其是高校用電，浪費情況較為嚴重［7-9］。目前，高校教學(xué)樓用電的管理仍然采用傳統(tǒng)的由學(xué)生自己開關(guān)燈的模式，或者是由專人負責(zé)，根據(jù)作息時間和天氣情況分樓層送電的模式［10-12］。傳統(tǒng)管理模式不僅造成資源的浪費，而且需專人負責(zé)，造成管理上的不便，難于做到智能化管理。

隨著科技的進步，單片機、嵌入式技術(shù)已經(jīng)運用到社會生活的各個領(lǐng)域［13-15］。針對教室等照明場所的資源浪費問題，提出了使用單片機技術(shù)來智能控制照明系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)由光照度檢測模塊，熱釋紅外檢測模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和開關(guān)燈控制模塊組成。綜合運用傳感技術(shù)、單片機技術(shù)和通訊技術(shù)對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。該系統(tǒng)能夠智能控制照明系統(tǒng)，極大的節(jié)約了資源。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1通話系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)基于CC2530單片機，以Zigbee協(xié)議為組網(wǎng)機制。工作原理是由協(xié)調(diào)器節(jié)點以廣播的方式將光照度傳感器節(jié)點、人體紅外傳感器節(jié)點、燈光控制節(jié)點加入到該Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，然后網(wǎng)絡(luò)中的所有的節(jié)點都可以相互進行通信，實現(xiàn)對教室燈光的智能控制。系統(tǒng)主要的模塊有光照強度檢測模塊、熱釋電紅外傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、開關(guān)燈控制模塊組成。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框架圖

1.2光照強度檢測模塊設(shè)計

光照強度檢測模塊用于監(jiān)測、采集和發(fā)送教室的光照強度信息。模塊使用光照度傳感器獲取光照強度數(shù)據(jù)，并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。光照度傳感器將采集到的光照強度數(shù)據(jù)和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的臨界值進行比較，分析教室光照度是光亮還是昏暗。并向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送兩個字節(jié)的分析結(jié)果，首字節(jié)表明該數(shù)據(jù)是由光照強度模塊發(fā)送的，次字節(jié)是該模塊分析的結(jié)果，若教室明亮，則該字節(jié)為0，若教室昏暗，則該字節(jié)為1。具體電路圖如圖2所示。

1.3熱釋電紅外傳感模塊設(shè)計

教室內(nèi)是否有人是由熱釋電紅外傳感模塊來實現(xiàn)的。該模塊主要由熱釋電紅外傳感器GH-718和CC2530處理芯片構(gòu)成。GH-718是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，具有靈敏度高，可靠性強的特點。具體電路如圖3所示。

圖2　光照強度檢測模塊電路

圖3　熱釋電紅外傳感模塊電路圖

該模塊工作時，以每秒1次的頻率采集教室里是否有人員信息，當(dāng)教室內(nèi)有人時，該模塊輸出高電平，沒人輸出低電平。CC2530處理芯片通過人體熱釋電模塊輸出的高低電平分析判斷教室是否有人，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)送兩個字節(jié)的控制命令給開關(guān)燈控制模塊。首字節(jié)表示該數(shù)據(jù)是“熱釋電紅外傳感模塊”發(fā)送的，次字節(jié)表明教室是否有人，“0”代表教室沒人，“1”代表教室有人。

1.4數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)處部模塊由Zigbee網(wǎng)路中的協(xié)調(diào)器完成。該模塊接收光照強度模塊和熱釋電紅外傳感模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并通過綜合判斷光照度信息和人員檢測信息得出應(yīng)該開燈或者關(guān)燈的控制命令，然后將控制命令發(fā)送到燈開關(guān)控制模塊。工作原理如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)處理模塊原理圖

數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收到的第一個字節(jié)判斷是由哪個模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，第二個字節(jié)是該模塊的狀態(tài)（有無人/暗或明），若光照強度模塊和熱釋電紅外傳感模塊都向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送了數(shù)據(jù)，且第二個字節(jié)都為“1”，表明教室內(nèi)有人且光線較差，就發(fā)送數(shù)據(jù)“1”到燈開關(guān)控制模塊，表示“開燈”命令，否則發(fā)送數(shù)據(jù)“0”，表示關(guān)燈命令。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用C和匯編語言進行編程實現(xiàn)。系統(tǒng)使用傳感器對室內(nèi)光照強度和人員信息進行檢測，檢測數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，由該模塊對數(shù)據(jù)進行分析處理并控制燈開關(guān)。啟動系統(tǒng)后，先調(diào)用Z_stack APP函數(shù)對系統(tǒng)進行初始化操作，建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并將光照強度模塊和熱釋電紅外傳感模塊加入網(wǎng)絡(luò)，成功建立網(wǎng)絡(luò)后，啟動定時器，光照強度模塊和熱釋電紅外傳感模塊開始按照設(shè)定頻率采集光照信息和人員信息，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊接收、判斷、分析這些數(shù)據(jù)并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)送相應(yīng)控制命令到燈開關(guān)控制模塊，實現(xiàn)燈的智能開關(guān)。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

3　系統(tǒng)測試

設(shè)計完該系統(tǒng)的硬件和軟件后，對各模塊進行測試。接通電源，用深色的布蓋住光照度傳感器，同時人靠近熱釋電紅外傳感器，燈亮；人遠離熱釋電紅外傳感器，燈滅，表明人員檢測模塊能夠正常工作。當(dāng)用手電筒照射光強度傳感器時，不管人靠不靠近熱釋電紅外傳感器，燈都處于熄滅狀態(tài)，表明光照度檢測模塊功能正常。同時，系統(tǒng)能夠正確的執(zhí)行開關(guān)燈操作，表明整個系統(tǒng)功能正常。

4　結(jié)論

教室節(jié)能控制系統(tǒng)，主要以教室內(nèi)的光照強度和教室內(nèi)是否有學(xué)生等信息作為檢測對象，根據(jù)檢測結(jié)果利用CC2530單片機對數(shù)據(jù)進行處理和分析，控制教室燈的開和關(guān)。系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于智能化、自動化程度高，且使用簡單的傳感器技術(shù)，易于實現(xiàn)，實用性比較強。該系統(tǒng)的設(shè)計思想還為智能家居系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)等的設(shè)計提供參考價值。

［1］曾光宇.現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］鄧學(xué)欣，檀潤華.智能窗的概念設(shè)計［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003（1）:60-62.

［3］高洪志.MCS-51單片機原理及應(yīng)用技術(shù)教程［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［4］趙新民.智能儀器原理及設(shè)計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［5］周燕，覃如賢.教室燈光智能控制系統(tǒng)［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2005，20（1）:70-72.

［6］白二凈，賈倩.基于單片機的教室節(jié)能控制器的設(shè)計［J］.中國電子商情科技創(chuàng)新，2013（20）:80-82.

［7］李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2011（16）:75-77.

［8］蔣建平，陳輝.基于CC2530的ZigBee無線城市路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2012（9）:84-87.

［9］張毅剛，彭喜元.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［10］秦曾煌.電子技術(shù)［M］.6版.北京:高等教育出版社，2004.

［11］楊洪升.基于89C51單片機的數(shù)字溫度計設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2011（2）:80-82.

［12］夏光蔚.校園智能照明控制系統(tǒng)的研究［J］.無線互聯(lián)科技，2011（6）:46-48.

［13］黃超澤，郭其一，毛中亞.基于MSP430及TC35i的短信收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電氣自動化，2013（1）:74-75.

［14］Jennifer L Reed，Thuy D Vo，Christophe H Schilling.An expanded genome-scale model of Escherichia coli K-12（iJR904GSM/GPR）［J］.2003（8）:54.

［15］Glenna S.M.Tong，Igor V.Kurnikov and David N.Beratan. Tunneling Energy Effects on GC Oxidation in DNA［J］.2002（9）.

The design of classroom energy saving control system based on single chip microcomputer

MAO Jing
（Department of Electronic and Information Engineering，Ankang University，Ankang 725000，China）

Aiming at the classroom with a great waste of electricity，used single chip microcomputer and sensor technology development and designed the energy-saving control system of the classroom，discussed the hardware and software system.The

energy saving control system；sensing technology；CC2530；Zigbee

TN05

A

1674－6236（2016）12-0182-03

2016-01-29稿件編號：201601281

陜西省自然科學(xué)基金研究項目（2014JM8358）

毛靜（1986—），女，陜西安康人，碩士，助教。研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)、嵌入式技術(shù)。

system was tested and achieved good results.The method provides a good reference to the development of intelligent anti-theft system and smart house.