學(xué)校教學(xué)樓的電能節(jié)能控制系統(tǒng)分析

張金華

摘 要：大多數(shù)學(xué)校教學(xué)樓在使用電能過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電能資源嚴(yán)重浪費(fèi)現(xiàn)象，需要制定相關(guān)系統(tǒng)對(duì)其電能節(jié)能進(jìn)行有效的控制。文章通過(guò)對(duì)教學(xué)樓電能節(jié)能系統(tǒng)的原理與組成進(jìn)行講解，對(duì)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，以便對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了解，進(jìn)而推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)樓；電能節(jié)能控制系統(tǒng)；推廣

1 學(xué)校教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)的原理與組成

學(xué)校教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)主要是由教學(xué)樓主控中心單元、電井控制單元、教室節(jié)點(diǎn)單元與電能節(jié)能控制中心單元等幾個(gè)方面組成。其中教學(xué)樓主控中心單元主要安裝在每棟教學(xué)樓的配電房中，電井控制單元主要安裝在每棟教學(xué)樓的配電電井中，教室節(jié)點(diǎn)單元主要安裝在各個(gè)教室的供電入口處或者開(kāi)關(guān)控制處，電能節(jié)能控制中心單元主要安裝在校園的配電管理中心。在使用手機(jī)或PC進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的時(shí)候，需要借助GPRS或WiFi與電能節(jié)能控制中心連接與通信，借助通信模式可以與各個(gè)單元部分進(jìn)行通信與連接。該系統(tǒng)的管理人員可以在PC或手機(jī)上安裝客戶端，對(duì)其進(jìn)行輸入指令與數(shù)據(jù)，選擇通信方式對(duì)其進(jìn)行控制與管理[1]。

2 電能節(jié)能控制系統(tǒng)硬件電路

2.1 教學(xué)樓主控制中心單元硬件設(shè)計(jì)

在該單元的硬件設(shè)計(jì)中，其主要是用于對(duì)教學(xué)樓的集中通電與斷電，可以借助時(shí)鐘與通信功能與微控制器連接，從而對(duì)教學(xué)樓的供電狀態(tài)進(jìn)行控制。在進(jìn)行通信的時(shí)候，需要借助有線與無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，在無(wú)線通信中可以借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)與指令進(jìn)行傳輸。在有線通信中主要是借助芯片來(lái)完成[2]。

2.2 電井控制單元硬件設(shè)計(jì)

在電井控制單元中，主要是將主控制中心單元的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)施的裝置，以便對(duì)教學(xué)樓的某個(gè)電井提供斷電與供電作用。該硬件主要是由微控制器、固態(tài)繼電器、通信與交流接觸器組成。在通信中，需要分為有線與無(wú)線兩種，其中有限與教學(xué)樓主控制中心單元進(jìn)行通信，無(wú)線主要是跟節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行通信[3]。另外，微控制器需要確保內(nèi)部資源豐富，以便支持2.9～5.5 V的供電，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，從而發(fā)揮出應(yīng)有的效果。在固態(tài)繼電器中，需要確保雙向可控制硅的輸出，開(kāi)啟零電壓，關(guān)斷零點(diǎn)六，隔離輸入與輸出回路，并將隔離耐壓控制在2 500 V左右。微控制器主要是借助通信功能接入教學(xué)樓主控制中心與節(jié)點(diǎn)單元的指令，并通過(guò)斷開(kāi)控制交流接觸器與固態(tài)繼電器的控制對(duì)供電情況進(jìn)行管理與控制[4]。

2.3 教室節(jié)點(diǎn)單元硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)該硬件設(shè)備進(jìn)行安裝與改造的時(shí)候，需要采用單火線供電技術(shù)對(duì)其設(shè)計(jì)，其組成部分包括單火線開(kāi)關(guān)電源、接線端、線性穩(wěn)壓、無(wú)線通信、微控制器、繼電器驅(qū)動(dòng)、多路繼電器與檢測(cè)保護(hù)模塊等。其電壓為220 V，從輸入端接入到教師節(jié)點(diǎn)端，并分為兩組，一組作為取電處理，將其接入到單火線開(kāi)關(guān)電源與線性穩(wěn)壓中，并連接各個(gè)電路模塊對(duì)其通電處理。另外一組需要通過(guò)多路繼電器對(duì)室內(nèi)用電設(shè)備通電處理[5]。在微控制器的選擇中需要確保質(zhì)量過(guò)關(guān)且價(jià)格相對(duì)較低的型號(hào)，確保其資源豐富，并屬于目前流行的微處理器。在繼電器中，控制線圈工作電壓需要設(shè)置為12 V，帶負(fù)載能力設(shè)置為10 A。在開(kāi)關(guān)電源中，需要確保輸入電壓的范圍寬廣，確保電路簡(jiǎn)單，具備較小的空載電流，并且需要選擇功耗較低且輸出直流電壓穩(wěn)定的型號(hào)[6]。在線性穩(wěn)壓中，需要確保具有較高的輸入直流電壓（最高為40 V），并且可以將其轉(zhuǎn)為低輸出直流電壓（3.3 V），并且選擇的芯片需要具備超低靜態(tài)電流。在無(wú)線通信中，需要具備較好的通信功能，能夠快速獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以便對(duì)其快速處理與控制。在觸摸開(kāi)關(guān)電路中需要采用電容式觸摸開(kāi)關(guān)，有效地延長(zhǎng)使用時(shí)間，并降低功耗。在對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，需要進(jìn)行人數(shù)檢測(cè)與照度檢測(cè)，在教室多個(gè)位置安裝光照度傳感器，以便節(jié)約電能。照度檢測(cè)可以對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，以便借助無(wú)線通信對(duì)其光照數(shù)據(jù)傳送到節(jié)點(diǎn)單元微控制器中，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行控制。在對(duì)教室用電設(shè)備進(jìn)行管理的時(shí)候，需要增加人數(shù)檢測(cè)，安裝ID識(shí)別功能，對(duì)教室的人數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以便在人數(shù)離開(kāi)教室后可以對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行控制，節(jié)約用電[7]。

2.4 電能節(jié)能控制中心單元硬件設(shè)計(jì)

在該硬件設(shè)計(jì)中，其主要設(shè)計(jì)目的是對(duì)教學(xué)樓的集中通電與斷電時(shí)間進(jìn)行控制，主要是借助通信、時(shí)鐘、GSM等來(lái)完成?？梢栽谠撚布O(shè)計(jì)中，添加日歷時(shí)鐘功能，以便將教學(xué)樓通電與斷電時(shí)間數(shù)據(jù)存在其中，用戶可以根據(jù)手機(jī)與PC在任意時(shí)間對(duì)教學(xué)樓的用電情況進(jìn)行控制，設(shè)置完成后，電能節(jié)能系統(tǒng)控制中心可以單獨(dú)工作。

3 電能節(jié)能控制系統(tǒng)軟件

3.1 教學(xué)樓主控中心單元軟件設(shè)計(jì)

在該單元軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要設(shè)計(jì)顯示與鍵盤驅(qū)動(dòng)程序，并將無(wú)線與有線通信程序、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序等考慮在內(nèi)，以便確保主控中心單元能夠正常運(yùn)行。

3.2 電井控制單元軟件設(shè)計(jì)

在該單元軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要確保硬件電路保持通電工作狀態(tài)，以便對(duì)教學(xué)樓主控中心單元的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，并需要對(duì)指令進(jìn)行分析，從而對(duì)交流接觸器進(jìn)行控制，以便確保是否對(duì)該區(qū)域進(jìn)行供電處理[8]。

3.3 教室節(jié)點(diǎn)單元軟件設(shè)計(jì)

在該單元的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是采用C語(yǔ)言編寫對(duì)各個(gè)程序模塊進(jìn)行組成，模塊包括光照度傳感器驅(qū)動(dòng)程序、無(wú)線通信程序、檢測(cè)開(kāi)關(guān)電路組網(wǎng)程序。ID讀卡驅(qū)動(dòng)程序、控制繼電器程序與觸摸開(kāi)關(guān)檢測(cè)程序等。需要對(duì)這些軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便確保教室節(jié)點(diǎn)單元能夠發(fā)揮出最大作用。

3.4 電能節(jié)能控制中心單元軟件設(shè)計(jì)

在該單元軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮到時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序、US-ART驅(qū)動(dòng)程序、無(wú)線通信程序與GSM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。其可以通過(guò)PC與USB進(jìn)行連接，并且可以借助安裝的APP與GSM功能與手機(jī)連接，將每個(gè)教學(xué)樓的各個(gè)區(qū)域電井?dāng)嚯娕c通電需求進(jìn)行合理控制，并通過(guò)主控中心單元的控制數(shù)據(jù)與狀態(tài)和手機(jī)與PC端見(jiàn)連接，從而可以對(duì)教學(xué)樓的供電狀態(tài)進(jìn)行掌握與控制，并可以為學(xué)生查詢自習(xí)室的開(kāi)放情況提供條件。

4 電能節(jié)能系統(tǒng)功能測(cè)試

在學(xué)校教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，需要將其安裝在教學(xué)樓中。學(xué)校管理人員需要對(duì)學(xué)校的斷電與通電安排要求進(jìn)行分析，以便可以將該系統(tǒng)與手機(jī)、PC連接，從而可以借助手機(jī)與PC端對(duì)教學(xué)樓的電能節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理與控制，合理安排教學(xué)樓的斷電與通電時(shí)間，并對(duì)自習(xí)室的開(kāi)放情況進(jìn)行設(shè)置，從而可以將各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其輸入系統(tǒng)中，開(kāi)啟系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行試運(yùn)行處理。可以借助調(diào)光燈對(duì)自然光照情況進(jìn)行模擬，以便確保教室節(jié)點(diǎn)單元中的光傳感器能夠獲取光照度，并對(duì)照明供電進(jìn)行測(cè)試。其中光照強(qiáng)度在10～200 Lx的時(shí)候，允許供電處理，而光照強(qiáng)度在200～500 Lx的時(shí)候，則禁止供電。將電能節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用在學(xué)校教學(xué)樓的用電設(shè)備中，可以取得較好的節(jié)能效果[9]。并且這種節(jié)能方法符合國(guó)家對(duì)新堿、擴(kuò)建與改建建筑物一般照度標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定。另外，在學(xué)校安裝該系統(tǒng)中，對(duì)其單個(gè)控制單元的功耗情況進(jìn)行測(cè)試，其中一個(gè)教室節(jié)點(diǎn)單元空載功耗為0.8 mA，帶負(fù)載測(cè)試功耗為1.1 mA；而一個(gè)電井控制單元的空載測(cè)試功耗為7.6 mA，帶負(fù)載功耗為14.2 mA；一個(gè)教學(xué)樓主控中心單元的空載功耗為6.3 mA；一個(gè)電能節(jié)能控制中心單元的空載功耗為9.4 mA。在教學(xué)樓安裝該系統(tǒng)的時(shí)候，需要根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況來(lái)安裝。例如，安裝一個(gè)電能節(jié)能控制中心單元，5個(gè)主控中心單元，而每棟教學(xué)樓安裝20個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，可以根據(jù)上述功耗情況進(jìn)行計(jì)算，在安裝該系統(tǒng)之前與安裝該系統(tǒng)之后，其每天需要消耗的電能差異較大，可以為學(xué)校節(jié)省巨大的電能，從而可以降低學(xué)校的電費(fèi)成本，以便實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，并且可以節(jié)省學(xué)校的日常開(kāi)支。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)學(xué)校教學(xué)樓用電設(shè)備使用的情況進(jìn)行分析，為了有效節(jié)省學(xué)校電能，可以在學(xué)校教學(xué)樓安裝電能節(jié)能控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)借助通信技術(shù)、單火線技術(shù)與川農(nóng)干起檢測(cè)技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的原理與組成進(jìn)行分析，了解其硬件與軟件設(shè)計(jì)原理，并對(duì)其功能進(jìn)行檢測(cè)與試運(yùn)行處理，可以了解到該系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)與PC端對(duì)學(xué)校教學(xué)樓的用電設(shè)備進(jìn)行控制與管理，可以取得較好的節(jié)能效果。并且該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且性能較好，符合低碳環(huán)保與節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展要求，能夠?yàn)閷W(xué)校節(jié)省一部分人力、物理資源，該系統(tǒng)具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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