高校教室照明節能智能控制系統設計

謝一凡+陳華麗

摘 要： 為解決目前大學教室燈光長明造成的電量浪費問題，提出了由MSP430單片機、光頻轉換器和人體感應傳感器組成的節能智能控制系統，通過合理安排時間以及綜合處理人體和光強信號，來實現燈光的智能開、關，從而達到節能的目的。

關鍵詞： 單片機；節能；智能控制

Abstract： This paper developing a system to solve the energy waste problem caused by the long time lighting in university classrooms. The system is composed of MSP430 single chip microcomputer， light-to-frequency converter and infrared sensor. Through making reasonable arrangements of time， processing physiology signal and light intensity comprehensively， the system saves significant energy and works intelligently.

Key words： MCU；energy-saving； intelligent control

社會可持續發展的主要問題在于能源，節約能源需要我們從生活的方方面面做起。僅以高校教室為例，由于管理不夠科學規范，每年都會有大量的電力資源白白浪費。我國高校目前的教室燈光管理絕大多數依賴人工，由于教室數量多，管理員無法對每間教室都實施及時的控制，常常出現教室無人時開燈、光線充足時也開燈的“長明燈”現象，造成了不必要的電能浪費和經濟損失。以我校為例，就公共教學區來說，粗略統計大約有30000盞燈，每盞燈36W，按每天亮燈（從早晨8點到晚上9點正常運行）13個小時計算，扣除一年三個月的假期，一年教室照明的耗電量大約為389.08萬度，依照現行電價0.573元/度，學校在教學樓耗電上要支出約222.94萬元。若按每天只浪費用電2小時，則白白流失的就有61.24萬度電，多支出34.3萬元。試想全國所有高校每天浪費的電量該是多么龐大的數字。為了解決這種情況，設計出高校教室照明節能智能控制系統，使教室燈光能夠按需分配，實現人到燈開、人走燈滅、智能節能。

一、系統整體設計

系統采用由上下位機組成的主從式結構，對教室進行分區域控制[1]。主機通過網絡控制各個教室中的下位機，對不同的區域安裝光頻轉換器和人體感應傳感器，分別測量教室內的光強和人員分布情況，實現教室內不同區域的燈光開關，從而能夠有效節省電源。

各個教室中的下位機以時間作為啟動和關閉系統的依據，以光強及人體信號作為系統啟動后開關燈的判斷標準。在工作時間內，如有模式信號輸入則系統進入相應的模式；若無，則進入自習模式。不在工作時間，如有手動信號輸入，則根據手動任務的設定運行；若無，則關閉所有的燈。

系統預置有不同的工作模式：講課模式、自習模式，供用戶根據需要進行選擇使用，且各模式之間可以自動切換，使操作更加便捷。

1.講課模式。由于每個教室排課不同，通過上位機PC軟件將對應課表下載到不同的教室，將“有課”、“無課”分別設置為“1”和“0”，存儲在下位機的FLASH中[2]。下位機則處于定時工作狀態，每堂課開始的前5分鐘，教室中的下位機會進行一次判斷，如果對應有課，則開啟講課模式，教室燈光全開；如果沒有課，則關閉教室全部燈光，進入“自習模式”。

特別地，有時存在教師臨時更換上課地點，故講臺上也放置一個人體感應傳感器，在進入講課模式后，每隔5分鐘探測1次講臺上是否有人上課，執行2次這樣的操作，并將2次檢測結果取邏輯“或”運算。如果為“真”，則說明有人上課，繼續執行“講課模式”；如果為“假”，則進入“自習模式”。下位機的判斷過程如圖1所示。

2.自習模式。將教室分為A、B、C、D四個區域，如圖2所示，每個區域房頂正中放置一個人體感應傳感器HC-SR501[3]和光頻轉換器[4]。當下位機處于自習模式時，輸入參數為人體存在信號和光強度信號，若某區域的人體感應傳感器檢測到有效信號，系統判斷此時光頻轉換器采集到的光強，如果高于設定閾值（光線較弱），則打開對應區域的日光燈；如果低于閾值（外界光線很強），無論教室是否有人，都不開燈，如圖3所示。

圖2 教室內區域劃分圖

圖3 自習模式流程圖

二、系統具體設計

1.上位機設計。用C#編寫含有以下2個功能的軟件[5]：①能將課程表分別導入到各教室中的下位機；②能將各下位機的燈光開關狀態顯示在上位機界面。

將教學樓的所有教室組成網絡結構，如圖4所示。管理人員通過上位機PC上的軟件實現對各個教室的監控，用MSP430芯片制作一個中轉控制器[6]，如圖5所示，作為上下位機間的樞紐，保證通信的有效性。

上位機軟件從教務處導出各個教室的本學期的課表，用數據庫SQL Sever存儲[7]。同時設置為每天凌晨向各個下位機發送每天更新后的課表信息，PC機與中轉控制器的RS232接口建立通信[8]，由于每個教室在IIC總線上都有唯一地址，此時IIC總線通過總線裁決，決定哪個教室占用總線，中轉控制器通過IIC接口將信息發送至對應教室。在更新完課表信息后，中轉控制器設置為從機，各個下位機定時將教室燈光信息反饋至上位機界面，使得管理人員能夠掌控每個教室具體的燈光情況，提高了監控效率。

2.下位機設計。下位機的課表、燈光信息存儲在單片機FLASH中，從而能夠實現掉電保護。系統還加入密碼控制，以增加系統運行的安全性。通過鍵盤完成設定密碼、初始化時間。時鐘模塊采用芯片DS1302[9]，該芯片不僅能夠顯示秒、分、時、日期、月份和年份信息，還可實現掉電保護，為時鐘電路提供電源，如圖6所示。

下位機以時間作為啟動和關閉系統的依據，以光強及人體信號作為系統啟動后開關燈的判斷標準。將時間作為控制依據進一步加強對節能的監管，明確工作時間與非工作時間的界限。

具體來說，將6：00～22：00設置為工作時間，在工作時間段內系統自動在“講課模式”和“自習模式”之間隨時間的變化不斷切換；在非工作時間內，系統自動關閉，實現節能。而系統在不同的模式下開關燈的標準不同，講課模式下燈光自動全開，也可根據需要手動強制開關燈；自習模式下，將人體感應模塊HC-SR501參數設置為延時時間1分鐘和可重復觸發，光頻轉換模塊閾值設定為白天不低于150lx，晚上不低于200lx。當有人體信號后，判斷此時光強，若高于閾值不開燈，低于閾值開燈。這樣只要人仍在有效探測區域內，人體感應傳感器便能不斷檢測到，延時被重復觸發，而不在時，該區域燈滅。從而實現人到燈開，人走燈滅。

3.人數統計。在教室門口放置人數統計裝置，其分布圖如圖7所示，A、B處各放置一個紅外收發對管，當無人通過時電壓保持不變，設為狀態“0”，有人通過時電壓變化，設為狀態“1”。有A、B狀態真值表如表1所示。

程序中設置全局變量判斷教室內人數，當紅外接收管電壓發生變化時系統發生中斷，通過查詢數組值判斷A、B的變化情況。例如當有人進門時，A由“0”變為“1”，B仍為“0”，將總人數值加1；同理，當B由“0”變為“1”時，總人數值減1；當A、B皆為“1”時，說明同時有人進出，此時總人數不變。

上位機可以通過軟件了解各個教室的實時人數，從而大致判斷教室內上課的出勤率。同時可以計算出各個教室的空位數，學生可以通過大廳的顯示畫面了解去哪個教室自習。

三、結束語

系統的設計從低碳、環保的理念出發，立足于節能，適用于高校教室照明控制。采用多模式控制，實現各模式之間的自動轉換，滿足教室上課、自習、多媒體等多用途的需求。課表模式的引入不僅從全局上能夠網絡化管理燈光，也能實現局部的差異性。通過實際測試，人數判斷較為精準，但是當兩人同時進出門時統計可能產生誤差。

參考文獻

1 謝興紅.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008

2 秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006

3 黎洪生， 劉蘇斂， 胡冰等.基于無線通信網絡的智能路燈節能系統[J].計算機工程， 2009，35（14）：190～191，214.

4 閆軍威， 林海杰， 彭響方.基于 LonWorks 技術的路燈節能控制系統[J].電力電子技術，2009， 43（9）：47～49.

5 胡開明， 李躍忠， 盧傳華.智能路燈節能控制器的設計與實現[J]. 現代電子技術， 2009，34（9）：143～145.

6 申田寶， 呂儉榮， 儲惠等.智能照明節電器的技術特性與應用[J].上海節能， 2004，10（3）：29～31

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9 劉三梅， 程韜波， 胡戰虎.基于GPRS/WEBGIS 的路燈節能監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計， 2008，29（1）：187～189