智能化大班臺(tái)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

路則光，王 萌，賈萬達(dá)，王鳳杰，侯加林*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

在未來的辦公環(huán)境中，智能化家具將提供更加便利的工作環(huán)境［1－2］。“智能化辦公家具”是未來的一種發(fā)展趨勢(shì)，雖然當(dāng)前尚處于起步階段，但是它將會(huì)有廣闊的發(fā)展空間［3］。作為高端辦公家具的智能化大班臺(tái)應(yīng)能對(duì)辦公環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行智能化控制，根據(jù)人員需要自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，形成舒適健康的辦公環(huán)境，提高人員的工作效率和心理滿意度［4－6］。Zheng 等人指出無線網(wǎng)絡(luò)(WSN)能感應(yīng)各種環(huán)境空間中的信號(hào)，檢測(cè)各種目標(biāo)對(duì)象和各種條件，收集相關(guān)信息［7］。Lun－Wu Yeh 等人認(rèn)為可利用無線傳感器在線檢測(cè)建筑內(nèi)各個(gè)房間內(nèi)電器的使用狀況，根據(jù)需要打開或關(guān)閉電源，達(dá)到節(jié)約能源的目的［8］。德國的Linner，T.等人提出可以采用智能技術(shù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境及其設(shè)備進(jìn)行控制等［9］。在前期研究辦公環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文主要探討智能化大班臺(tái)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，分析其硬件和軟件，借助空調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 辦公環(huán)境溫度要求

智能辦公環(huán)境的目標(biāo)是提高室內(nèi)人員的工作效率，營造較高的舒適度，為未來的技術(shù)維護(hù)和升級(jí)提供發(fā)展空間［10］。就室內(nèi)環(huán)境(熱、光、聲、空氣品質(zhì))而言，熱環(huán)境的質(zhì)量對(duì)人員工作效率的影響較大［11－12］。并且，與人員舒適度相關(guān)的因素主要有溫度、濕度、風(fēng)速、人體新陳代謝量、衣著、平均輻射溫度等，這些因素之間相互作用，共同影響著室內(nèi)人員對(duì)辦公環(huán)境的冷熱感覺。因此，室內(nèi)熱環(huán)境與人員的工作效率和舒適度有著密切的關(guān)系，智能辦公環(huán)境要達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量是根本而有效的途徑之一。

溫度直接影響人體通過對(duì)流、輻射及蒸發(fā)三種形式的散熱量，使人體產(chǎn)生維持熱量平衡的各種生理反應(yīng)，進(jìn)而影響人體的熱舒適度和工作效率。人處于突變環(huán)境空氣溫度下，熱感覺會(huì)隨著空氣溫度的變化立即發(fā)生變化［13］。在人體達(dá)到正常熱平衡時(shí)的熱感覺就是熱舒適［14、15］，冬季的熱舒適溫度在19～21℃之間，夏季則在21～23℃之間［16－18］。我國《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50019－2003)》［19］規(guī)定舒適性空調(diào)室內(nèi)溫度冬季應(yīng)為18～24℃，夏季應(yīng)為22～28℃。

就溫度對(duì)工作效率的影響而言，過高或過低的環(huán)境溫度都不利于工作效率的提高。Sundstrom 發(fā)現(xiàn)在暖環(huán)境下長期工作，人員腦力任務(wù)(尤其是那些需要協(xié)調(diào)視覺和手動(dòng)操作的任務(wù))的錯(cuò)誤率上升［20］。Pepler和Warner 認(rèn)為溫度與任務(wù)反應(yīng)時(shí)間之間存在倒U 型曲線關(guān)系，在26.7℃下用時(shí)最長，但錯(cuò)誤率也最低［21］。Wyon 發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)工作績效的影響與任務(wù)性質(zhì)有很大關(guān)系:對(duì)腦力任務(wù)，當(dāng)中性溫度為21℃時(shí)，工作速率在27℃時(shí)下降30%，當(dāng)溫度高于27℃后，下降幅度保持為70%;對(duì)打字任務(wù)，當(dāng)溫度高于中性溫度4℃后，績效就下降了70%，隨后隨溫度的上升下降幅度保持不變［22］。M kinen 等認(rèn)為冷環(huán)境對(duì)人體生理反應(yīng)和熱感覺有負(fù)面作用，并使簡單反應(yīng)時(shí)任務(wù)的速度和績效下降［23］。Parsons KC 發(fā)現(xiàn)簡單認(rèn)知任務(wù)比較容易受冷環(huán)境的影響，低溫環(huán)境使關(guān)節(jié)變僵硬，肌肉活性下降，手的靈活性下降，從而對(duì)手工靈活性有要求的任務(wù)在適度冷環(huán)境下績效會(huì)有所下降［24］。當(dāng)溫度在20～22℃左右時(shí)，人手的靈活性就開始下降［25］。

2 硬件

按功能分，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件包括信息接收及處理裝置、信號(hào)發(fā)射裝置和執(zhí)行裝置三部分，如圖1 所示。

圖1 硬件關(guān)系圖Fig.1 Relationship chart of hardware

根據(jù)由室內(nèi)溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度信息，無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的單片機(jī)程序?qū)囟刃畔⑦M(jìn)行邏輯判斷，指揮信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出升溫或降溫指令，繼電器控制電路工作，自動(dòng)調(diào)節(jié)遙控器的溫度開關(guān)，空調(diào)開始啟動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

2.1 信息接收及處理裝置

信息接收及處理裝置包括計(jì)算機(jī)和單片機(jī)。其中，作為核心部件的單片機(jī)是控制器，外接一個(gè)無線RS－232 通信接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，用于溫度信息的接收、分析和處理。

2.1.1 溫度傳感器 根據(jù)辦公室的特點(diǎn)，溫度傳感器應(yīng)具有穩(wěn)定性好，靈敏，響應(yīng)迅速，準(zhǔn)確度高的性能。本研究選用DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器測(cè)量溫度，主要基于以下三點(diǎn):一是采用單線接口，與單片機(jī)連接方便，編程也較為簡單;二是測(cè)量溫度范圍為－55℃～+125℃，在－10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，完全可以滿足監(jiān)測(cè)辦公室內(nèi)溫度的需要;三是反應(yīng)靈敏，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到溫度的變化。此外，價(jià)格低廉，在大規(guī)模應(yīng)用的場(chǎng)合可顯著降低成本。圖2為溫度傳感器DS18B20，其內(nèi)部有三個(gè)主要數(shù)字部件:64 位激光ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL。

圖2 溫度傳感器DS18B20Fig.2 Temperature sensor DS18B20

2.2.2 單片機(jī) 單片機(jī)是室內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)把各個(gè)傳感器采集的信息讀取出來并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。本項(xiàng)目選擇MCU－51 單片機(jī)，如圖3 所示。它是一款基礎(chǔ)入門的單片機(jī)，價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，而且功耗低，可以用電池供電，更增加了采集點(diǎn)放置的靈活性。

圖3 MCU－51 單片機(jī)Fig.3 MCU－51 MCU

2.2 信號(hào)發(fā)射裝置

信號(hào)發(fā)射裝置由繼電器控制電路和遙控器電路板組成，繼電器控制電路與遙控器電路板溫度鍵下的金屬導(dǎo)線相連，由繼電器電路控制遙控器溫度鍵的開關(guān)，從而使空調(diào)升溫或降溫。其中，繼電器控制電路是核心，其工作原理如圖4 所示。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Control circuit of electric relay

當(dāng)單片機(jī)管腳輸出為高電平時(shí)，三極管截止，繼電器兩端不通電，繼電器開關(guān)斷開，兩根導(dǎo)線不導(dǎo)通，相當(dāng)于遙控器溫度鍵未被按下，不向空調(diào)發(fā)射信號(hào);當(dāng)單片機(jī)管腳輸出為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器兩端通電，繼電器開關(guān)閉合，兩根導(dǎo)線導(dǎo)通，相當(dāng)于遙控器溫度鍵被按下，向空調(diào)發(fā)射信號(hào)。

2.3 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置是空調(diào)，可以根據(jù)遙控器溫度鍵下的導(dǎo)線接通與否，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度參數(shù)，以取得理想的溫度舒適度。這是溫度自動(dòng)控制的主要目的。

3 軟件

軟件是溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，作用是對(duì)接收的溫度信息進(jìn)行分析和處理，其流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Work process of software

當(dāng)溫度值高于設(shè)定的溫度上限時(shí)，與遙控器電路板降低溫度按鍵相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)管腳輸出低電平，向空調(diào)發(fā)射降低溫度的信號(hào);當(dāng)溫度值低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，與遙控器電路板升高溫度按鍵相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)管腳輸出低電平，向空調(diào)發(fā)射升高溫度的信號(hào);當(dāng)溫度值介于設(shè)定的溫度上限和溫度下限之間時(shí)，與遙控器電路板降低溫度按鍵和升高溫度按鍵相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)管腳都輸出高電平，不向空調(diào)發(fā)射信號(hào)。

4 結(jié)語

本文研究了智能化大班臺(tái)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件，借助繼電器的接通與否可以控制空調(diào)開關(guān)，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，以獲得舒適的辦公環(huán)境。系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，會(huì)提高智能化辦公空間的環(huán)境質(zhì)量，將提升智能化大班臺(tái)的科技含量。同時(shí)，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)也可用于民用住宅中，根據(jù)環(huán)境溫度的改變自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使人們獲得良好的舒適感，從而提升生活質(zhì)量。因此，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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