校園教室智能控制系統設計與應用

福州大學物理與信息工程學院 黃秋情 岳宗笛 黃俊斌 陳 新

0 引言

隨著工業化高速發展，能源問題已成為人們關注的焦點。能源浪費除經濟損失外，還破壞了環境。在校園里，燈光、風扇數量多，工作時間長，用電浪費現象顯著，且人力及管理成本高。調查資料顯示，針對燈光或者風扇節能控制的設計已普遍存在，如蘇州市美術館新館采用智能照明控制系統。還有一些地方，采用風扇智能控制系統，實現“溫度高，風力大，溫度低，風力弱”的性能。這些方案雖然在一定程度上實現了節能控制，仍不能實時控制節能；照明控制采用的是整體狀態控制，風扇控制系統只注重轉速和溫度高低的關系，不能根據人流量進行智能操作。綜上所述，這些系統若應用在校園節能上，并不能起到良好的效果。

本項目將兩者進行創新整合，設計一組可以自動控制燈光和風扇的節能系統。該系統通過室內溫度、光強、人數以及是否在正常工作時間段，通過光、熱傳感器等傳入單片機進行系統處理。自動控制電燈和風扇在規定自然條件下的啟動和關閉、在確定溫度及人員多少的情況下控制風扇的轉速、在規定時間以外電器全部關閉，最終達到節能減排和實現人性化管理的目的。

1 系統設計思路

綜合教室電氣設備開關狀態的若干因素，本項目給出四個參數值：時間、溫度、光線、人數；兩個受控設施：電燈和風扇，其關系原理如圖1所示。

由圖1可知，當系統處于工作時間段、有人存在、光線較暗等情況下，燈光會自動打開。溫度達到預設值，風扇自動開啟。

圖1 節能系統設計思路示意圖

考慮到實時控制的需要，本項目的系統必須做到實時對信號的采集進行分析及處理。為此，簡單的數字電路已無法滿足需要。經過分析，我們采用單片機作為控制中心模塊，將采集到的參數信息進行判斷并運算，輸出兩個控制信號。系統需要三級結構，初步的架構如圖2所示。

圖2 單片機控制中心模塊示意圖

圖2中，外界參數通過傳感器轉換為電信號，經數字電路判別后以高低電平的形式輸入到單片機，單片機根據輸入的各個參量綜合時間等因素進行分析→輸出控制信號→對受控設施進行控制。傳感器實時對信號進行檢測并送入單片機分析處理，可以保證對受控設施的實時控制。

2 分模塊設計

2.1 信號采集模塊

為實現教室不同區域的電燈和風扇獨立控制，需在教室不同區域進行信號采集。因此，每一個信號采集點均需要裝配傳感器。如在類似矩形的教室中可以考慮在教室四個角落附近各裝配傳感器。若教室偏長，則兩頭和中間區域也需要裝配。為此，我們也需要考慮到采集范圍重疊和采集死角等問題。

針對信號采集，門限值的判定是關鍵。首先，溫度和光照可以設定為到達或超過一個特定值時，判定為“真”，系統進行工作。但是熱釋電紅外傳感器可以改變比較電路的電壓值來改變輸出信號的高低。例如，某一特定的風扇和電燈，與之相匹配的熱釋電紅外傳感器只要檢測到有人存在，則在滿足其他參數的條件下可以開始工作，而其他風扇則需要調高比較電壓數值，使得只有在較多人存在時才會輸出高電平使得該區域內風扇工作。這樣做的好處是：①滿足了有人在且其他條件滿足的情況下就開啟一些電器設備；②當另一區域人不多時，電氣設備不會開啟，使得這部分人自動轉移到已開啟電器設備下；③當人數較多時，會開啟其他區域電氣設備。

2.2 數據分析處理模塊

由于要對多個教室或一個教室的多個區域電器設施進行控制，而單片機引腳有限，我們不是將所有收集到的信息直接交給單片機處理，而是在外部就用數字電路將一些參數信息進行簡單的邏輯運算。例如，將光敏采集到的信號與熱釋電紅外傳感器采集到的信號進行“邏輯與”運算，將輸出值送入單片機，這樣可以節約一半的管腳數量。另外，單片機作為定時系統起到決定工作時間段的作用，這一作用大大節約了教室晚自習后熄燈所耗費的人力物力，使得系統更趨向于人性化。

單片機作為數據分析模塊，需綜合數字電路傳輸來的參數信號及內部時鐘信號，當且僅當輸入參數滿足條件且在工作時間段時輸出開啟控制信號，當條件不成立時則輸出關閉控制信號。

2.3 電路控制模塊

單片機輸出的高低電平不足以驅動電燈、風扇等電機，為了克服這一問題，我們提出采用繼電器的辦法。繼電器能夠很好地被單片機驅動，并可以在高電壓和高電流情況下工作，且輸出端的高電壓電流不會對控制端產生影響?；谝陨蠘嬒耄覀儗⒖刂菩盘栞斎肜^電器控制信號輸入端，輸出端直接與電機相連。當控制端不滿足條件時，電機不會工作，單片機判斷外部信號及時間等參數均滿足條件時，輸出控制信號將繼電器開啟，實現對電機的控制。

為簡化電路，我們提出將一個區域內的電機并聯后由一個繼電器進行驅動，這樣既不會很大程度上影響系統的智能化，也能節約相應成本。同理，考慮到多教室的控制且教室與教室間的環境參數大體相同時，我們可把控制信號擴展到另一間教室使用。

3 結論

采用單片機為控制器，用紅外、光敏和溫度傳感系統來檢測室內有無人員及室內溫度，設計了一個智能風扇及照明控制系統。該系統可以根據室內的溫度來實時自動控制風扇的開關及風扇的檔位；根據室內的光線來控制燈管的照明；根據是否有人和人員分布來控制是否打開某一區域燈光及風扇的開關，能夠達到智能控制和節能的目的，尤其適用于學校教室、圖書館、樓道照明燈場所。

該系統仍有需要改進的部分：首先，各信號采集模塊穩定性不夠高，較難在惡劣的環境下運行。為了達到更理想的效果，建議在信號采集模塊上增加反饋機制，利用負反饋提高穩定性；其次，單片機接口較少，只能滿足受控電器較少的情況，建議可以改用ARM芯片來設計；最后，如果要用于實際中，需要用PCB印刷電路板，更好地保證不會出現虛焊或電路不穩定等問題。

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