基于校園一卡通的開放實驗室節能系統研究

余善恩, 李 真, 陳張平, 孫偉華

(杭州電子科技大學 自動化學院, 浙江 杭州 310018)

基于校園一卡通的開放實驗室節能系統研究

余善恩, 李 真, 陳張平, 孫偉華

(杭州電子科技大學 自動化學院, 浙江 杭州 310018)

針對當前校園中普遍存在的開放實驗室無人但燈無法及時關閉的問題,提出了基于校園一卡通的實驗室節能系統這一方案。該方案基于技術成熟并已廣泛應用的校園一卡通系統,結合了包括以太網、2.4G RF無線通信等技術,同時開發了上位機軟件進行數據庫管理,實現了一個完整的實驗室節能系統。該系統通過檢測有無一卡通,進而控制實驗室總電源的通斷,有效地解決了無人亮燈問題,同時具有使用簡單、改造成本低等特點。

校園一卡通； 開放實驗室； 實驗室節能系統

當前國內很多高校存在著白天采光良好,但實驗室里卻燈光通明的現象,也存在著實驗室人走后忘記關燈的現象。這些空亮著的燈一直等到校園值班人員來關門的時候才被關掉,極大地浪費了電能。

燈光控制不是一個新的課題,當前國內外都有類似的研究,根據相關文獻檢索及實際調查總結得出,目前實驗室燈光控制系統主要分為以下幾類:通過檢測室內外的光強來確定是否要開燈[1]；設計燈光自動控制系統通過檢測進出教室的人數來確定教室里是否有人,進而控制燈的開關[2]；結合熱釋電傳感器及光敏傳感器,對教室進行分區控制,此類方法系統成本及布線難度較大[3]；通過攝像頭采集數據,再進行分析處理來識別有無人員活動,此種方案在識別準確性及亮度適應性上有一定的缺陷[4-5]；對教室亮燈區域進行細分,單個照明燈獨立控制,此方案控制復雜,操作不便[6-7]；還有一種是基于電力載波通信的控制網絡構建,但通信范圍有限[8]。綜上所述,目前的教室燈光控制系統,都存在著自動控制及手動控制切換時操作復雜,或其方案本身在某種程度上都不能很好地解決“亮燈浪費”問題。

隨著物聯網技術的發展,各類高校基本上都配備了校園一卡通系統。校園一卡通系統大大方便了學校對師生、教職工的工作、學習、生活等各方面的管理。基于此平臺,也可以比較方便地擴展實現其他功能,比如安防、監控、節能等。結合校園一卡通系統及物聯網技術,將其應用于實驗室燈光控制,設計了一個智能的實驗室節能系統。實驗室的燈光控制電源受控于有無一卡通,實現了人在卡在電通,人不在卡不在則電斷的功能。通過這樣一種手段,可以有效解決目前存在的“亮燈浪費”問題,減少電能浪費,提高對節約用電的認識,降低學校的能源消耗。

1 系統架構

系統由信息中心、分基站、分控節點組成。信息中心負責管理在校學生及教職工的一卡通信息,并可通過網絡更新到各分基站,分基站負責將來自信息中心的信息更新到其所轄的各實驗室分控節點,各分控節點根據其是否檢測到有效一卡通及預設方案進行實驗室燈光總閘的開合。

校園信息中心與分基站間的信息交互方式如圖1所示。信息中心負責校園一卡通信息的管理,同時,可以將其管理的一卡通信息通過網絡通信的方式更新到各分基站(教學樓基站)。信息中心與分基站采用網絡通信的方式主要考慮到各教學樓分布相對分散,距離也較遠,但各樓基本上都與信息中心直接有網絡通信接口,采用網絡通信方式可以保證傳輸的可靠性,也可以充分利用原有的通信接口資源。

圖1 信息中心與分基站的信息交互

教學樓基站與各實驗室分控節點之間的信息交互方式如圖2所示。分基站通過無線通信方式將來自信息中心的一卡通信息更新到各分控節點。采用無線通信方式主要考慮到在同一教學樓內距離有限,無線通信方式可以保證數據的有效傳輸,且布置靈活,可以最大限度地減少各實驗室的線路改造工作,降低成本。

圖2 分基站與分控節點的信息交互

2 硬件設計

2.1 分基站設計

分基站的結構如圖3所示,主要由電源模塊、微控制器、無線模塊構成。選用的微控制器自帶了網絡模塊,可以實現以太網通信與信息中心進行信息傳輸；無線模塊則用于與分控節點交互數據。

圖3 分基站結構圖

微控制器選用了TI公司的基于ARM CORTEX-M3內核的LM3S8962。LM3S8962的以太網控制器遵循IEEE802.3規范,完全支持10BASE-T和100BASE-TX標準,含有100BASE-TX擾碼器和解擾器,支持全功能的自協商協議,可工作在多種模式下,而且可編程MAC地址,用戶可配置中斷,因此采用LM3S8962作為以太網微控制器的開發是一個性價比很高的選擇。

由于信息中心與各分基站間的數據通信量不大,且屬于校內網絡,通信穩定可靠,所以采用了UDP網絡通信協議,實現相對簡單,通信效率高,滿足系統要求。

無線模塊采用CC1101實現,集成了一個軟件可編程的調制解調器,支持2-FSK、GFSK和MSK調制格式,數據傳輸率最高可達500Kbps。同時,具有高效能的功率輸出,能量集中、信號傳輸遠,提高了鄰道功率(ACP)的性能,改善了近距離信號堵塞現象。系統依靠433MHz,具有穿透性強、通信距離遠等優點,完全可以滿足教學樓內基站與各分控節點間的通信要求。

2.2 分控節點設計

分控節點的結構如圖4所示,主要由讀卡模塊、電源模塊、微控制器、語音模塊、電源開關、無線模塊、傳感模塊等構成。讀卡模塊可以讀取置于其上的一卡通信息；傳感模塊可以檢測環境亮度,結合時鐘模塊可以解決“白天亮燈”問題；語音模塊用于當一卡通被取走后可以語音提醒其他人進行續卡操作；電源開關負責整個實驗室的燈光電源的開合；存儲模塊用于存儲一卡通信息,保證了在通信異常的情況下單機仍可正常控制燈的開關；無線模塊則實現與分基站間的數據交互。

圖4 分控節點結構圖

節點中微控制器選用STC12C5A系列單片機,該系列單片機為增強型51系列單片機,價格便宜、功能強大,支持串口通信,下載調試方便。在實現了系統功能的同時,達到了最佳的性價比[9]。

語音模塊采用WT588D語音芯片,是一款功能強大的可重復擦除的語音單片機芯片,支持在線下載及串口通信。同時支持PWM和DAC輸出方式,PWM輸出可直接推動0.5W/8Ω的揚聲器,DAC輸出外接功放,音質好。本系統中采用了串口控制,PWM輸出方式[10]。

讀卡模塊使用CY-14443A讀寫模塊。CY-14443A系列射頻讀寫模塊采用基于ISO14443 標準的非接觸式讀卡機專用芯片。內部高度集成了模擬調制解調電路,只需少量外圍電路即可工作,支持UART接口,適用于ISO14443 標準下身份識別系統的讀卡器的應用。本系統中,應用UART接口,實現了對一卡通信息的識別。 存儲模塊采用了電存儲器FM25VN10,具有讀寫速度快,數據掉電保護等功能[11],符合功能需求；傳感模塊包括亮度檢測、人體檢測等,用于配合節能控制。

3 軟件設計

信息中心的一卡通信息由原一卡通系統進行維護；本系統中在Visual Studio環境下開發了一個后臺運行應用程序[12],當有卡信息更新時(如新生入學、老生離校等),讀取更新過的信息。通過Internet將信息更新到各教學樓的分基站,分基站再將信息通過RF通信方式更新到各教室的分控節點。信息中心軟件主要涉及到數據庫訪問、winSo ket編程等技術[13]。

分控節點安裝于各教室,其通過檢測是否有有效一卡通插入,結合預設的控制方案決定實驗室燈光電源總開關的分、合。分控節點的軟件流程如圖5所示。

當持卡者在允許時間段內進入實驗室時,將一卡通插入實驗室的讀卡機中時,分控節點讀取一卡通信息,判斷是否有效；若有效則打開實驗室電源總開關,否則不做處理。而當卡拿掉后則產生語音提示,提醒其他人進行續卡操作；若無人續卡則實驗室電源在延時幾分鐘后自動關閉。分控節點同時可以根據總控制中心的設置,可限定亮燈的時間段或亮燈條件,比如在深夜和一些特殊時間段不允許亮燈,在白天采光良好的情況下自動斷電等[14]。

4 結論

該系統未采用主要依靠人體檢測、亮度檢測的傳統方案為主要研究思路,而只是把它們當作一個輔助手段,解決了識別不準確、控制閃爍等問題；同時,依托于以太網及無線通信技術,最大限度地減少了系統的安裝維護成本。該系統已在校內的幾個實驗室試用,效果良好,其不僅能應用于學校,同時也能應用于企事業單位及工廠,在節能減排方面有較高的推廣價值。

References)

[1] 黃界. 基于STC12C4052AD單片機的教室燈光控制系統設計[J].電子技術,2010(7):37-38.

[2] 覃海益. 教室燈光自動控制系統[J].電子科技,2011,24(10):22-23.

[3] 陳九江,吳桐,王術,孫言. 教室照明系統的智能控制[J].黑龍江大學自然科學學報,2006,23(3):314-316.

[4] 周瑤. 高校教室燈光節能控制系統的設計[D].鄭州：鄭州大學,2010.

[5] 聶雄,黃斌全,陳華. 一種教室節能照明系統的人員識別算法[J].視頻應用與工程,2011,35(15):15-45.

[6] 馮凌杰,劉應波,姜代平. 基于凌陽單片機的多功能教室燈光控制系統[J].軟件設計開發,2009,5(25):7142-7143.

[7] 陳晶. 基于單片機的教室燈光自動控制器的研究[D].福州：福建農林大學,2010.

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[11] 羅影,熊大紅,羅益榮. 信息化背景下校園一卡通研究與實踐[J].農業圖書情報學刊，2013(7):64-66.

[12] 王永明. 校園一卡通系統的基礎平臺建設和應用功能分析[J].智能建筑與城市信息，2009(1):34-37.

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[14] 龐金香. 中國石油大學校園一卡通業務調查與研究[J].中國教育信息化，2008(9):21-23.

Research on energy-saving system for open laboratory based on campus card

Yu Shanen, Li Zhen, Chen Zhangping, Sun Weihua

(College of Automation,Hangzhou University of Electronic Science and Technology,Hangzhou 310018,China)

Regarding the common problem on university campus that the lights in open laboratories can’t be switched off timely without anyone in, the scheme for the laboratory energy-saving system based on the campus card is proposed. This scheme is dependent on the technologically-matured and widely-used campus card system and combines the wireless communication technology of Ethernet and 2.4G RF. At the same time, the upper computer software for the database management is developed, and a whole laboratory energy-saving system is completed. Through the detection of presence of the campus card, this system can control the on-off switch of the total power supply in the laboratories so as to effectively solve the problem of wasted lighting. Meanwhile, this system has the characteristics of the simple use, low cost, etc.

campus card； open laboratory； laboratory energy-saving system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.066

2016-06-15 修改日期：2016-07-25

2012年度浙江省教育技術研究規劃課題(JB040)；杭州電子科技大學2015年高等教育研究項目(SYZX201506)

余善恩(1982—),男,浙江天臺, 碩士,實驗師,主要從事實驗室管理與實驗教學.

E-mail：lz865048840@163.com

TP399

: B

: 1002-4956(2016)12-0263-03