基于單片機的教室節能與智能化控制

袁天馳 （天津城建大學控制與機械工程學院，天津3003841）

梁國祥 （寧德師范學院物理與電氣工程系，福建寧德352100）

目前，教室中的主要耗能電器為傳統熒光燈。目前大多數采用人力機械式開關控制傳統熒光燈的亮滅，這需要學生根據天氣和光照條件自覺改變亮燈的數量。傳統的控制方法造成了學校用電的巨大浪費［1－2］。有調查顯示，采用傳統控制方式的100個教室僅照明耗電可以達到1904kW·h，如果在21∶30以后關閉一半教室的燈光，一天可以節約電能408kW·h。2005年12月12日，建設部全國建筑節能專項檢查組專家指出，節能住宅不可忽視自動進風排風系統。目前國內教室的窗戶和通風系統采用人力開關控制方式，不能根據室內CO2的濃度和空氣質量自動通風換氣。室內聚集的CO2大大降低了學生的學習效率并且不利于學生的身心健康［3］。由此可見，研究以教室節能和智能化控制為目的的新型教室用電設備是十分必要的?寧德師院服務海西建設項目（2011H202；2012H307）。。

1 系統結構

系統的結構如圖1所示，其主要由上位機系統的程序端、下位機系統的信號采集與分控制器端以及以太網構成的通信系統3部分組成。這3部分共同完成照度、紅外、溫濕度和CO2檢測，實現燈光、窗戶和通風電機的控制。

主控制器與分控制器通過以太網完成數據傳輸。分控制器實時采集各傳感器的信號，判斷各檢測的信號是否超過閾值，來驅動繼電器的通斷，完成教室的節能減排控制。主控制器的客戶端軟件可以發送數據或命令到分控制器，完成教室照明燈具以及其他設備的手動控制。當發送命令時，分控制器采用中斷的方式接收主機發來的信號并執行相應的操作。

圖1 教室節能與智能化控制系統框圖

2 結構電路設計

2.1 教室燈光節能結構電路

從系統的功能來看，系統檢測的教室信號有人體紅外、溫濕度、光照強度等。當分控制器通過人體紅外檢測到教室有人時，結合教室內溫濕度、光照情況等外部因素，動態決策教室各用電設備的節能匹配方案。當教室環境光照滿足照明規范要求時，控制所有的燈具保持關閉狀態；當教室光照強度不夠，且檢測到有人在教室時，分控制器能根據實際需要決策照明方案，使教室燈光能高效節能穩定的運行。其系統組成框圖如圖2所示。

圖2 教室燈光節能控制組成框圖

2.2 教室智能門窗控制結構電路

智能門窗控制單片機為AT89C51芯片核心器件，主要由人體紅外信號檢測、溫濕度以及CO2濃度信號采集和調理電路、輸出控制電路等組成。教室智能門窗控制模塊由CO2傳感器、濕度感受器、溫度傳感器、單片機和電機等組成。通過溫、濕度傳感器和CO2傳感器檢測教室環境狀況，單片機根據要求實現統一的開關，調節窗戶的開關及打開程度。同時擁有儲備電源，停電時可以利用上位機進行統一的管理。通過與轉軸、電機、電磁鎖的組合，達到利用電機、電磁鎖實現遠程教室門窗的智能開關。當晚間教室沒有人時，管理人員可以遠程控制門的自動關閉；當白天上課時，管理人員可以遠程控制門的打開［4－5］。系統的控制組成框圖如圖3所示。

圖3 智能門窗控制結構框圖

3 硬件電路設計

3.1 感光檢測系統設計

系統安置4路光敏電阻作為感光傳感器，分別位于教室的前后左右，檢測不同區域的光照強度，從而確保教室光線檢測的穩定性；根據光敏電阻的阻值與光強的關系，其阻值隨教室內部光線的變亮而上升或下降。

光敏模塊將采集到的光照模擬量信息傳送給PCF8591芯片的A／D轉換器，轉換為數字量信號，通過I2C總線，傳送給單片機，單片機將得到的信號進行處理后再次回傳給PCF8591芯片的D／A轉換器，得到最大值為5V的電壓信號。然后再利用LM358搭建放大電路，將信號轉變為0～10V的模擬信號。

3.2 人數檢測原理

教室人數統計功能的實現，采用2個平行放置的E18－D80NK紅外避障模塊。該模塊集發射和接收為一體的光電傳感器。當前方無障礙輸出高電平，有障礙輸出口電平會從高電平變成低電平。模塊上有一個電位器可以調節障礙的檢測距離，一旦調節好電位器（如調節好的最大距離50cm）則在有效距離內（如40cm處有障礙物、10cm處有障礙物）則輸出低電平，低電平剛好給單片機識別。2個紅外避障模塊平行放置，可以通過測量人進出教室時方向的不同從而達到計量教室人數的功能。如進入時先觸發一號紅外避障模塊，然后2個避障模塊同時處于觸發狀態，接下來跨越一號的檢測范圍，僅觸發二號避障模塊，然后2個模塊都處于空閑狀態。出門時，狀態相反。達到計量人數的目的。同時，對出發時間進項檢測，當一號觸發50ms后二號還沒觸發則認為該同學未進入教室，而是轉身出去了。有效減少了誤觸發的次數，加強了統計精確程度。

3.3 溫濕度和CO2檢測模塊

溫濕度檢測采用DHT11數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，集成有專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器內置有一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個8位單片機相連接。通過CO2傳感器感知環境中CO2的濃度，從而開啟排風系統加大或降低通風換氣的速度，同時可以感知煙霧濃度并及時通風換氣，保持教室空氣清新。系統溫度、濕度和CO2檢測與調理電路如圖4所示。

4 系統軟件設計

4.1 主控制系統的設計

控制器通過以太網與分控制連接，將數據或命令發送給分控制器，同時將信息送給數碼顯示單元進行顯示，并對運行程序進行有效監視等。其控制程序流程如圖5所示。

4.2 教室智能照明系統軟件設計

根據系統的要求教室智能照明軟件流程如圖6所示。

圖4 系統溫濕度和CO2檢測與調理電路

圖5 主控制系統軟件流程圖

圖6 教室智能照明軟件流程

單片機接收環境光強度檢測器輸出的光強信號和熱釋電紅外傳感器輸出的人體存在信號，當檢測到教室內照度X＞300lux時，所有燈都保持關閉的狀態；檢測教室內照度X＜300lux時，若教室沒有人，所有燈都關閉；若某個區域有人則分區域開燈。

4.3 教室智能門窗控制系統軟件設計

根據教室智能門窗控制系統的要求其軟件流程如圖7所示。

4.4 數據的傳輸

通信網絡是保證整個智能教室控制系統正常運轉的關鍵，所有的教室檢測控制單元連接在通訊網絡的平臺上，最終與中央計算機相連。系統利用控制單元連接轉換器將RS－232轉換為RS－485總線形式，然后將RS－485總線連接 Wi－Fi模塊，最終通過Wi－Fi模塊將RS－485總線信號轉換為 Wi－Fi信號發布給上位機，上位機收Wi－Fi信號并利用軟件將Wi－Fi信號與虛擬串口連接。

圖7 教室智能門窗控制系統軟件流程圖

5 結語

為了有效利用教室燈光、節約能源和調節學習環境，根據學校教室照明的特點，設計了基于單片機的教室節能與智能化控制系統。該系統主要由主控制器部分、分控制部分和通信部分組成。分控制采用單片機，可以對照度、紅外、溫濕度和CO2進行檢測，實時的控制教室中的燈光、窗戶和通風電機的工作狀態，達到節能和調節環境的需要。調試結果證明，該系統具有很好的人機交互界面，能對教室燈光、溫濕度和CO2的濃度進行智能控制，且電路簡單，成本低，節約能源，可移植性好。主控制器采用上位機對分控制器進行控制以及儲存信息數據。系統采用單片機和數據庫相結合的技術方案，實現了教室燈光和空氣質量的節能控制，為智能化教室的未來發展提供了一種技術思路。

［1］ 姚傳安 .基于Modem的遠程溫濕度傳感器系統的設計 ［J］.儀表技術與傳感器，2007，10（3）：32－34.

［2］ 李世振，李浙昆，張文斌 .智能型教室燈光控制系統研究與實現 ［J］.微計算機信息，2011，（4）：30－32.

［3］ 王伸遠，孫欽杰，蘇雨 .基于智能化控制的節能建筑的發展分析 ［J］.四川建材，2014，40（2）：16－17.

［4］ 駱立俊 羅旭剛 .一種家用電器的低碳節能與智能化設計與實現 ［J］.科技視界，2012，22（8）：47－48.

［5］ 張壹，張栩嘉，田焱 .智能照明控制系統的設計與實現 ［J］.電子設計工程，2012，20（24）：31－34.