基于智能傳感器檢測的智慧校園節(jié)能減排的系統(tǒng)研究

賴駿芪，莫秀英

（廣州華商職業(yè)學(xué)院，廣東廣州，511300）

0 引言

全球氣候的變化使得越來越多國家關(guān)注溫室氣體對于氣候的影響，并開始致力于碳減排。節(jié)能減排主要在于節(jié)省用電，節(jié)約1 度電可以減少0.997 千克二氧化碳。2022 年3月30 日，廣東省發(fā)展改革委發(fā)出關(guān)于加強廣東省全社會節(jié)約用電管理的通知，通知要求，全省各級黨政機(jī)關(guān)、事業(yè)單位等公共機(jī)構(gòu)要率先垂范，帶頭踐行綠色節(jié)能辦公，做好辦公設(shè)備科學(xué)用電、節(jié)約用電管理。

校園是學(xué)校和教職工工作和生活的區(qū)域，校園的電耗主要集中在三個方面，即照明設(shè)施使用、計算機(jī)使用和空調(diào)使用。針對人走后，教室的照明設(shè)施、計算機(jī)和空調(diào)依然開著造成浪費的情況，提出一款基于智能傳感器檢測的智慧校園節(jié)能減排設(shè)計方案，配備毫米波人體檢測模塊，監(jiān)測教室是否有人在，沒人在可以實現(xiàn)關(guān)掉所有設(shè)備，包括空調(diào)、燈和計算機(jī)等動作；配備電量計量模塊，可以監(jiān)測每個教室用電情況，如電壓、電流、二氧化碳排量等信息；配備溫濕度模塊，監(jiān)測教室的溫濕度；配備門禁控制模塊，實現(xiàn)人走門關(guān)的功能。

1 總體設(shè)計方案

（1）智能終端交互界面，可實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)交換，將MR5G21 人體存在檢測模塊、溫濕度檢測模塊、電量計量模塊和門禁控制模塊的數(shù)據(jù)顯示出來，便于人機(jī)交互。并具備語音、WiFi 聯(lián)網(wǎng)、擴(kuò)展sd 卡、云端通信能力等多功能，支持 FOTA 功能，便于遠(yuǎn)程維護(hù)升級。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

（2）MR5G21 人體存在檢測模塊，具備人體存在自動檢測功能，可實現(xiàn)人走自動關(guān)閉設(shè)備的功能，配合門禁控制器，實現(xiàn)關(guān)門動作，從而節(jié)省用電，減少樓管的工作，節(jié)約了人力和物力。

（3）溫濕度檢測模塊，可實現(xiàn)監(jiān)控室內(nèi)溫濕度的數(shù)據(jù)。

（4）電量計量模塊，測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率、二氧化碳排量等數(shù)據(jù)，監(jiān)測每間教室的用電情況。

（5）門禁控制模塊，可以配合MR5G21 人體存在檢測模塊實現(xiàn)自動關(guān)門動作，或者配合智能終端交互界面實現(xiàn)手動關(guān)門開門動作。

2 設(shè)計方案

整個智能傳感器檢測的智慧校園節(jié)能減排設(shè)計方案布局如圖2 所示，智能傳感器安裝在教室頂部，智能終端交互面板安裝在教室門口，面板上可顯示的信息如下：教室的溫濕度；電量計量情況，如當(dāng)前的電流、電壓、功率、二氧化碳排量等；通過MR5G21 人體存在檢測模塊檢測是否有人在，從而實現(xiàn)照明、計算機(jī)、空調(diào)和門禁的自動控制。

系統(tǒng)的設(shè)計圖如圖3 所示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制通過智能終端交互面板控制，該交互面板具有語音、WiFi 聯(lián)網(wǎng)、擴(kuò)展sd 卡等多功能。MR5G21 人體存在檢測模塊用于人體檢測；電量計量模塊用于測量教室的電壓、電流、有功功率、二氧化碳排量等信息；溫濕度模塊用于檢測該教室的溫度和濕度大?。婚T禁控制模塊，可實現(xiàn)以下功能：讀取門禁繼電器狀態(tài)、設(shè)置門禁繼電器狀態(tài)、消防聯(lián)動等。所有模塊之間的通訊使用Modbus485 通訊協(xié)議。

當(dāng)然，如果僅僅是對著條條框框進(jìn)行講解，學(xué)生認(rèn)識還不夠深刻.技術(shù)人員一般會舉幾個近期發(fā)生的實例講給學(xué)生們聽，收效明顯，提高了學(xué)生的重視程度.另外，技術(shù)人員也會通過多媒體的形式講解安全常識.這些多媒體安全宣傳片給學(xué)生帶來極大的震憾，安全警示牢記于心.

圖3 系統(tǒng)設(shè)計圖

■2.1 智能終端交互面板

智能終端交互面板選擇上海睿賽德電子科技有限公司基于柿餅 UI 開發(fā)的一款顯示屏板卡，用于提供 IoT、智能家居、消費電子等領(lǐng)域的屏幕開發(fā)解決方案。尺寸小巧，功能強悍，支持豐富的外設(shè)通訊接口，可外接傳感器或其他主控單元，支持豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和音視頻播放，此外，支持FOTA 功能，便于遠(yuǎn)程維護(hù)升級。

■2.2 MR5G21 人體存在檢測模塊

MR5G21 人體存在檢測模塊向檢測區(qū)域發(fā)射5.8GHz 的FMCW 及CW 無線電波，并接收區(qū)域內(nèi)的所有運動、微弱運動的目標(biāo)反射的無線電波，由模塊的微波電路轉(zhuǎn)換為差頻電信號，然后根據(jù)線性調(diào)頻連 續(xù)波目標(biāo)調(diào)制原理，經(jīng)高性能數(shù)字信號識別算法處理，分析區(qū)域內(nèi)是否有微動目標(biāo)和運動目標(biāo)。站著不動、蹲著不動、坐著不動等靜止的人體，由于呼吸會引起胸腔及身體其他部位的微弱起伏運動，MR5G21 能以極高靈敏度可靠地檢測這類微弱運動，從而感知區(qū)域內(nèi)是否有人或無人存在。

同時，MR5G21 為行業(yè)首次引入多目標(biāo)距離測量技術(shù)，解決微波穿墻和距離邊界模糊的行業(yè)難題。比設(shè)置能量閾值或距離百分比的距離控制方案，MR5G21 的距離、區(qū)域控制更加可靠、穩(wěn)定、一致性強，檢測范圍如圖5 所示。

圖5 檢測范圍

圖6 溫濕度傳感器模塊

圖7 IM1266模塊引腳圖

■2.3 溫濕度檢測模塊

采用工業(yè)級芯片，高精度進(jìn)口SHT20 溫度傳感器，具有優(yōu)異可靠性、高精度、互換性，兼容標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)Modbu 協(xié)議，可實現(xiàn)自動輸出溫濕度。具備以下功能：

（1）溫濕度寄存器模塊不支持修改波特率；

（2）讀輸入寄存器：【溫度】0x0001 【濕度】0x0002；

（3）讀寫從機(jī)地址：【從機(jī)地址】0x0101。

■2.4 電量計量模塊

電量計量模塊使用IM1266 單相交直流自適應(yīng)電能計量模塊，該模塊可準(zhǔn)確測量測量回路中交流或直流電參數(shù)而無需更換模塊，準(zhǔn)確度優(yōu)于國家1 級標(biāo)準(zhǔn)；其可以測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數(shù)據(jù)；通過相應(yīng)接口方便和其他單片機(jī)、ARM 連接實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。

■2.5 門禁控制模塊

門禁繼電器支持Modbus 協(xié)議進(jìn)行操作控制，從機(jī)地址默認(rèn)0xB3，支持線圈寄存器讀/寫和支持保持寄存器讀寫。具備以下功能：

（1）讀取門禁繼電器狀態(tài)（功能碼0x01）；

（2）設(shè)置門禁繼電器狀態(tài)為低電平（功能碼0x05）；

（3）設(shè)置門禁繼電器狀態(tài)為高電平（功能碼0x05）；

（4）消防聯(lián)動。

■2.6 Modbus 通訊協(xié)議

整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換使用Modbus 協(xié)議，默認(rèn)9600 波特率，8 位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗，1 位數(shù)據(jù)停止位。出廠默認(rèn)從機(jī)地址：溫濕度0xB1，電量計0xB2，門禁0xB3，毫米波模塊：0x41（字符’A）。

3 軟件實現(xiàn)

軟件設(shè)計流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件設(shè)計流程圖

4 測試結(jié)果

■4.1 毫米波測試

采用毫米波檢測技術(shù)，可以檢測是否人在，可以實現(xiàn)人走所有設(shè)備關(guān)的功能，節(jié)省了用電，減少樓管的工作。從圖9 中可以看出毫米波感應(yīng)為沒人，門禁的狀態(tài)為關(guān)閉，還可以檢測光照度。

圖9 毫米波檢測結(jié)果

■4.2 電能計量測試

采用電能計量檢測技術(shù)，實時測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率、碳排放量等數(shù)據(jù)信息，碳排量是當(dāng)今社會所關(guān)注的重要問題。

圖10 電量顯示和溫濕度顯示界面

■4.3 主界面顯示

采用智能終端交換界面，可實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)交換，具備語音、WiFi 聯(lián)網(wǎng)、擴(kuò)展sd 卡等多功能，支持 FOTA 功能，便于遠(yuǎn)程維護(hù)升級。

圖11 主界面

5 總結(jié)

節(jié)能減排可以幫助學(xué)校節(jié)約了用電成本，同時減少二氧化碳?xì)怏w的排放，有利于環(huán)境的美化，有助于學(xué)生的呼吸健康；整套設(shè)備智能化設(shè)計，節(jié)省用電的同時，減少樓管的工作，有助于校園的智能化管理，打造低碳智慧校園。

節(jié)能減排貫徹落實廣東省節(jié)約用電的科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會的重大舉措，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇，是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變增長方式的必由之路，是維護(hù)中華民族長遠(yuǎn)利益的必然要求。因此，節(jié)能減排是一項功在當(dāng)代，利在千秋的事業(yè)，有助于我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。