基于超聲成像技術對教學樓電氣設備的智控設計

遼寧工程技術大學 車昊倫 侯易辰 張帥博

隨著教育信息化的發(fā)展，教學樓電氣設備建設中教學組織和智慧管理的重要環(huán)節(jié)，采用網(wǎng)絡數(shù)字化架構是必然選擇。教學樓電氣設備建設建筑照明采集作為研究項目，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，將打造物聯(lián)網(wǎng)教育建筑節(jié)能系統(tǒng)的智慧項目。ZigBee 協(xié)議是一種節(jié)能、網(wǎng)絡高效的短距離無線通信技術。

由于我國重視基礎教育和教育資源綜合改革，各級政府投入大量人力物力建設中教學樓電氣設備，近期新建、改建了多所中學[1]。教學樓電氣設備建設雖然不是特別難，但有興趣的人流量很大。

1 相關理論基礎

1.1 超聲成像設備的技術簡述

超聲成像的物理基礎，超聲傳播依賴于高頻機械振動的“波源”和傳播機械振動的柔性介質，因此機械振動和柔性介質是超聲檢測的物理基礎[2]。在超聲成像中，探頭板發(fā)射時會產(chǎn)生超聲波，因此探頭板是波的來源。

1.2 教學樓電氣設備負荷等級分析

教學樓的照明對學生和教師的影響最大，這就是為什么它是電氣設計中的一個重要環(huán)節(jié)。照明設計的難點在于照明[3]。如果解決不當，將嚴重損害學生的視力，從而間接降低學生的學習效率，損害他們的身心健康，阻礙學校教學質量。照明設計的原則是要注意室內(nèi)空間中光線水平和光強分布的整體平衡。根據(jù)《建筑照明設計標準》要求：等級表0.75m 水平面照度≥300 勒克斯，照明均勻度≥0.7；天花板上的主要燈具通常是熒光燈配光，并盡可能放置在桌子之間的走廊內(nèi)；與工作臺的垂直距離≥1.7m。為了實現(xiàn)均勻照明，管道的最大距離與安裝高度之比在縱向為1.3，在橫向為1.5。為了進一步優(yōu)化板的視覺效果，應在板的頂部安裝一個特殊的板燈，以避免教師和學生眩光。

1.3 教學樓電氣設備設計分析

教學樓是學校中人員使用最多最頻繁的建筑，因此其應急照明設計尤為重要。應急照明燈有3 種類型：應急出口燈、疏散指示燈和應急照明燈，分別位于樓梯（出口）、人行道和大型教室內(nèi)。應急照明的備用電源由其自身電池供電，連續(xù)供電時間至少為30min。

2 基于超聲成像技術的系統(tǒng)設計

2.1 基于超聲成像技術的照明系統(tǒng)基本設計要求

智能終端通常使用無線通信對照明設備進行控制。目前，主要的無線通信技術有無線網(wǎng)、藍牙和ZigBee。通過比較，無線通信網(wǎng)絡中的ZigBee 作為智能照明系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡，其特點是硬件成本低、網(wǎng)絡方便、能耗低。對于大型公共地方，本設計能夠提高燈具的工作效率，減少它的工作時間，對燈具的使用壽命具有延長的作用，以此對節(jié)能、環(huán)保與智能達到控制的目的。

2.2 光源與燈具設計分析

教學樓電氣設備建設系統(tǒng)具有對燈具進行開關、調(diào)節(jié)它的亮度和紅綠藍燈光的3 個功能。這個系統(tǒng)用于兩種不同的計算機和移動電話控制終端。客戶與控制模塊和燈控制模塊通過通信來達到對燈的控制，它的操作界面主要是由用戶信息和燈信息兩部分組成。用戶信息有密碼登錄和賬戶注銷這兩個功能，Lamp 信息包括三個功能：即完全開啟、完全關閉和個性化服務。

2.2.1 燈具開關

用戶能通過訪問客戶端的方式達到對燈具的管理控制，按燈開關來分，它可以分為單燈和多燈兩類。在操作界面菜單欄的彈出式燈管理菜單中可以找到完整的開和關燈按鈕，單個LED 燈可以根據(jù)個性化管理界面中突出顯示的LED 地址單獨打開或關閉。

2.2.2 亮度調(diào)節(jié)

PC 端和手機端的用戶都可以訪問客戶端來調(diào)整LED 燈的亮度，就是在客戶的菜單上單擊“個人化”按鈕，然后進入“個性化”管理界面。使用者可以在亮度欄中鍵入相應的文字，并點擊“更新控制”。當收到使用者的命令時，該系統(tǒng)會把它傳送給與 ZigBee 終端結點相連的LED 驅動模組。發(fā)光二極管可以瞬間轉換光亮，節(jié)省能量。

2.2.3 紅綠藍燈光調(diào)節(jié)

用戶可以通過訪問客戶端的方式對LED 燈泡進行調(diào)節(jié)，學校的電力設備安裝LED 燈智能控制系統(tǒng)支持把控制字輸入到框中，根據(jù)ZigBee 模塊通過WiFi 無線通信網(wǎng)絡接收到的燈的狀態(tài)字，實時調(diào)整和更改燈的狀態(tài)。教學樓電氣設備建設燈狀態(tài)字格式為“a*.b”，而“a”和“b”表示狀態(tài)字的開始和結束。如表1 所示。

表1 LED 控制端的控制狀態(tài)字取值及其定義Tab.1 The value and definition of the control status word of the LED control terminal

2.3 基于超聲成像技術的弱電系統(tǒng)設計

2.3.1 廣播系統(tǒng)設計分析

校園公共廣播系統(tǒng)作為校園的業(yè)務廣播，它在學校的日常教學中起著重要作用。根據(jù)教學管理的需要，每個班級必須單獨管理?；馂膫鞑^(qū)域一般根據(jù)火災區(qū)域設置，不足以靈活應用于教學業(yè)務。因此，校園傳輸不應與消防傳輸共享同一系統(tǒng)。校園廣播經(jīng)常用于學校的教學階段，故障率很高。使用網(wǎng)絡連接很難確定故障原因，這對學校來說并不太不便。因此，建議數(shù)字校園廣播系統(tǒng)單獨連接，不與校園網(wǎng)或其他硬件網(wǎng)絡共享網(wǎng)絡。在以太網(wǎng)中，當一條消息從節(jié)點應用層生成到另一個節(jié)點應用層以接收節(jié)點發(fā)送的消息時，延遲主要包括：頂層處理和發(fā)送節(jié)點隊列延遲、發(fā)送節(jié)點MAC 隊列延遲、接收節(jié)點MAC 隊列延遲，接收節(jié)點MAC 層上的消息隊列延遲、頂部接收節(jié)點層上的處理和消息隊列延遲等。

2.3.2 電視、電話、網(wǎng)絡等設計分析

內(nèi)部分配系統(tǒng)是一個針對室內(nèi)用戶群的成功方案，旨在改善建筑物中的移動通信環(huán)境。其原理是使用室內(nèi)型天線電源系統(tǒng)將基站信號均勻分布在房間的每個角落，以確保室內(nèi)區(qū)域具有理想的信號范圍。信號源包括GSM、WCDMA、WLAN）TD-SCDMA 和其他信號源，為配電系統(tǒng)提供無線信號；信號分配系統(tǒng)旨在通過電容器和功率分配器等無源設備重定向信號源，并通過電力線將信號均勻地分配到每個低功率天線，并安裝在建筑物的每個區(qū)域。

2.3.3 火災自動報警系統(tǒng)設計要求

任何一個火災報警控制器與火災探測器、手動報警按鈕、模塊和其他裝置的總數(shù)量和地址合計不能超過3200個。連接到每個總線電路的設備總數(shù)要少于200個，并保留不小于額定容量10%的余量。任何火災連接驅動器的地址總數(shù)或火災報警驅動器（連接類型）控制的不同模塊的總數(shù)不得超過1600點，連接到每個連接總線回路的設備總數(shù)不得超過100點，應保留不小于額定容量10%的裕量。

安裝要求：

（1）探測器距墻壁和梁邊緣的水平距離不得小于0.5m。

（2）距探測器周圍水平距離0.5m 附近無遮蔽物。

（3）傳感器到最近空調(diào)出風口的水平距離不小于1.5m；距供氣多孔天花板開口的水平距離不得小于0.5m。

（4）當探測器安裝在寬度小于3m 的室內(nèi)人行道天花板上時，應安裝在客廳內(nèi)。溫度敏感點式火災傳感器的安裝距離不得超過10m；點式感煙探測器的安裝距離不得超過15m。探測器與端壁之間的距離不得超過安裝距離的一半。

（5）探測器應水平安裝。如果需要斜坡安裝，斜坡角度不應大于45°。

（6）對于坡度大于15°的鋸齒形屋頂和魚尾屋頂，應在每個屋脊上設置一排點探測器。

（7）格柵吊頂內(nèi)煙霧探測器的安裝。

鏤空面積與總面積的比例小于15%時，應把探測器放在在天花板下方。如果空面積與總面積之比不小于30%，應把探測器放在天花板的上方處。當空面積與總面積之比大約在15%～30%之間時，應當按照實際的測試結論來達到對探測器位置的。如果傳感器設置在天花板上方，且無法觀察到火警確認燈，則火警確認燈設置在天花板下方。當空面積與總面積之比為30%～70%時，探測器應設置在吊頂上方和下方。

3 基于超聲成像技術和物聯(lián)網(wǎng)的教學樓節(jié)能系統(tǒng)設計

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是基于因特網(wǎng)的物與物的連接，通過協(xié)議，可以識別出物聯(lián)網(wǎng)中的物體，并與其他物體進行通訊，實現(xiàn)實時自動識別，定位跟蹤，監(jiān)控和智能目標。物聯(lián)網(wǎng)的核心依然是因特網(wǎng)，它基于因特網(wǎng)，利用目標和目標的延伸，利用探測裝置對被監(jiān)視目標的實時信息進行實時獲取，利用RFID 技術和無線通訊技術，及時精確地傳送有關目標的信息，為以后的信息的智能化處理做好準備。由于該結構主要為節(jié)能教學樓系統(tǒng)設計，通信距離小，節(jié)點容量大，在本設計中，我們將從幾種流行的短程無線通信技術中選擇合適的短程通信技術作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術。

3.2 無線通信模塊

教學樓電氣設備建設無線通信模塊廣泛地運用車載監(jiān)控、遠程控制、遙測、小型無線網(wǎng)絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、社區(qū)尋呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、識別、射頻非接觸智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全和消防，無線遠程控制系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)測、機器人控制、232 無線數(shù)據(jù)通信、485.422 無線數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I域。通常，單片機模擬2262 是正常的。然而，當單片機模擬2272 解碼時，通常結果是遙控距離縮短。

3.3 方案設計

為了實現(xiàn)對教室燈光的實時監(jiān)測，教學大樓的電力設施建設是一種將計算機與傳感技術相結合的照明監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)教學樓的常規(guī)光照條件，在實現(xiàn)建筑節(jié)能管理的最優(yōu)化方面，該方案提出：在自然光照充足的情況下，教學樓無需使用任何照明設施；只有在自然光照不充足的情況下，才能根據(jù)室內(nèi)光線的強弱和室內(nèi)的人數(shù)來自動調(diào)節(jié)；在沒有人的情況下，自動控制的燈光會被關掉。同時，在緊急或特殊情況下，需要手動打開和關閉照明，在設計中應當添加手動開關控制。從而既能達到節(jié)能，又能達到照明要求，又能延長燈泡使用壽命的目的。基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能教學樓系統(tǒng)設計流程圖如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的教學樓節(jié)能系統(tǒng)設計流程圖Fig.1 Flow chart of design of energy-saving system for teaching building based on Internet of Things

項目中的無線通信模塊應在其有效通信距離處通過自組織多跳將信息從每個類中的ZigBee 節(jié)點發(fā)送到各自的路由節(jié)點，最后，可以和終端客戶進行通訊。照明線路是通過主控制器或PC 來實現(xiàn)的，各節(jié)能系統(tǒng)的分配方案如圖2 所示。

圖2 節(jié)能系統(tǒng)的分布方案圖Fig.2 The distribution scheme of the energy-saving system

在運行過程中出現(xiàn)各種故障后，如電壓和電流超過高限和低限，導致沒有燈光控制和時間控制，當燈光不應打開和應關閉時，由于其他設備和控制器的故障，照明設備不能正常運行時，故障和故障的位置可通過通信傳回控制和管理中心，以便于物流管理人員及時排除故障，確保系統(tǒng)的安全運行。

4 結語

物聯(lián)網(wǎng)技術能夠使不同對象之間的數(shù)據(jù)通過一個網(wǎng)絡進行傳遞，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術在人們的日常生活中的應用日益廣泛。既提倡企業(yè)的管理，又能達到節(jié)約能源的目的，又能為企業(yè)的后勤管理提供高科技產(chǎn)品的效益。

引用

[1] 顧亞雄,曹亞軍,趙自民.基于超聲成像技術的套管損傷檢測系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用,2014,33(10):67-69+74.

[2] 馬斌.紫外成像技術對高壓電氣設備外絕緣電暈放電檢測及故障診斷的研究[D].武漢:武漢大學,2010.

[3] 曹丁文.核磁共振成像技術和核磁共振電氣及病床開發(fā)設計思路[J].智能城市應用,2021,04(3):102-105.