基于Zigbee的智慧校園空調管理系統設計與實現

劉侃

摘要

隨著學校發展，學校用電設備越來越多，管理難度越來越大，造成學校能源浪費嚴重；根據本校的實際情況和需求，本人基于Zigbee通訊技術和C#語言編程技術設計了一套智慧校園空調管理系統，文中介紹了該系統的工作原理與軟件編程的實現方法，經實際測試，使用效果良好。

【關鍵詞】物聯網技術 Zigbee通訊技術 空調管理 能源管理 C#編程

1前言

隨著社會發展的生活條件改善，現在大部分學校己經將空調作為提升學校辦學硬件實力的一部分，但數量眾多的空調設備卻是一個耗電大戶，如何能管理好這些用電巨頭，實現國家節能減排的號召，節省學校的開支，是當前學校在引入空調改造升級后遇到的一個大難題，當前比較常用的做法是為每個班級配一個遙控器，到上課時間才將總電源打開，這樣的方式主動權在學生手中，而且要每天安排專業去管理學校空調總電閘，采用斷電的方式控制空調，空調在運行的過程中不通過遙控關機而是通過斷電的方式控制很有可能對空調的使用壽命造成很大損害。如果能通過物聯網技術將這些設備統一管理起來，就可以很大程度上解決空調能源浪費的問題。

2系統工作模型設計

如圖1所示，智慧校園空調管理系統采用Zigbee通訊模塊進行互聯，通過電腦將指令發送到信號發射主機，并通過Zigbee中轉節點進行轉送，收到信號的終端連接的是定制空調紅外遙控器，遙控器根據接受的指令發送紅外信號，以達到全校空調設備統一控制的效果。

ZigBee通訊模塊遵循IEEE802.15.4的國際標準，運行在2.4GHZ的頻段，每個設備不但具備與網關通信功能，還具備無線信號中繼功能，與周邊模塊聯網，自動組建蜂窩結構網絡，保障網絡的穩定性，搜索設備延時僅為30ms；該模塊還具備雙向通信的能力，不僅能發送命令到設備，還能將設備的執行狀態和

相關數據反饋回來，有利于在軟件上呈現系統運行狀況；本系統所使用的Zigbee模塊其單個傳輸距離超過100M，其網絡容量理論節點為65000個左右，而且采用了極低功耗設計，可以使用電池供電，理論上兩節電池能使用2年左右。

因此該系統非常適合在學校這種面積比較廣闊，而樓間間距比較大的單位，采用這種技術后不需要重新進行布線，具有方便、安全、可靠、拓展性好的特點。各部件硬件如圖2、圖3、圖4所示。

3上位機模塊實現

3.1系統整體框架

智慧校園空調設備管理系統采用可視化窗口管理界面，管理對象比較統一，因此界面比較簡單。軟件主界面主要有四個菜單項，分別是：“系統設置”、“設備監控”、“發送命令”、“關閉退出”，如圖5所示。

3.2“系統設置”功能

“系統設置”中有兩個菜單，分別是“串口配置”和“設備配置”。

3.2.1串口配置功能說明

在軟件工作之前必須先進行串口配置，由于系統的工作使用的是RS-485標準進行通訊，因此為了使通訊設備與計算機正常連接，需要事先設置串口參數，可通過“掃描”按鈕查找計算機中可用的串口，然后進行選擇，并將波特率設置為9600，再通過“保存串口參數”保存到數據庫中名為“串口參數表”的數據表里，下次啟動軟件時該項不需要再次進行設置。具體配置如圖6所示。

3.2.2設備配置功能說明

在“設備配置”菜單中，可以添加和刪除可控的空調設備，設備的編號是預先寫入到本系統的Zigbee通信模塊不但能進行信號發送，同時也能將各終端的情況返回，因此在本系統上能很好的進行顯示，點擊“設備監控”按鈕，可對己添加的設備進行監控和管理，系統每隔1分鐘與終端設備進行一次通訊，同步所有設備情況，設備用三種圖標分別表示“開機”、“關機”、“離線”三種狀態，紅色為開機狀態，灰色表示關機狀態，白色表示離線狀態，設備運行情況如圖8所示，單機主界面上的圖標還能詳細查看設備詳細信息，如圖9所示。

3.4發送指令功能展示

命令1設置當前發送命令優先級別，當優先級高的命令與優先級中和低的命令存在沖突時，將按優先級高的命令執行，命令2設置開機時間，分別是“全天開機”、“全天關機”、“一個時段”、“兩個時段”、“三個時段”，時段是預先設置在代碼里的，例如“三個時段”對應著學校的上午、下午、晚上三個指定時間段自動開機和關機，分組號對應的是教室編號、設備對應的是設備的序號，當一個教室里有多臺設備時則下個教室的設備編號需要累加遞增，當分組號和設備號全部設置為f，即“ffff”時，代表著廣播，全部設備都接收本條指令，統一進行控制。具體界面如圖10所示。

該部分代碼為本系統的關鍵功性功能模塊，具體代碼實現如下：

3.4.1讀取對話框信息

將對話框中所有下拉列表的選中項全部讀取并轉換成相應指令格式，例如，對于“優先級命令”項中所選取的指令需要轉換成下位機所預置的操作碼，代碼如下所示：

Stringcmd=this.comboBox5.SelectedItem.

ToString（）；

if（cmd="全體設備{this.textBoxl.Text="0x00"；}if（cmd="—組設備"）

{this.textBoxl.Text="0x01"；}

if（cmd="單個設備"）

{this.textBoxl.Text="0x02"；}

1“011（1="時間更新"）

{this.textBoxl.Text="0x04"；}

if（cmd="重設參數"）

{this.textBoxl.Text="Oxaa"；}

3.4.2發送指令

當所有的指令設置齊全并且完成相應操作碼的轉換后，點擊“發送指令”按鈕則應該發送相應命令，并使終端完成相應動作行為，具體實現代碼如下：

4系統情況評估與改進方向

本系統經多次測試和改進后進入實際使用環節，可以完成全校空調統一控制的任務，并在完成統一控制后，通過教室中的控制模塊發送紅外干擾信號，杜絕一些在空調運行過程中一些惡意操控空調的行為；在安裝控制終端時要注意的是，由于紅外模塊功率不夠，需要比較靠近空調掛機才能有效控制教室中的空調，目前所設計的紅外信號終端模塊為“一控三”模式，即一個控制終端控制一個教室的三臺空調。

通過本系統的開發，本人對整個校園的能源管理有了一些新的認識和想法，未來該管理系統的改版方向是，將整個學校的電力系統實行智能管理，教室、辦公室、宿舍空調和照明燈根據課表、辦公時間以及季節天氣進行預設，當條件達到時便自動開啟，到指定時間可自動關閉，同時還可以設定高優先級指令將原本指令覆蓋，優先執行，以滿足個別教室、宿舍等部分地方需要特殊性要求的場所的需要。

參考文獻

[1]Zigbee百度百科.https：//baike.baidu.com/item/zigbee/2114780？fr=aladdin.

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[3]姜寧.基于Zigbee的高效智能家居實訓室建設[J].物聯網技術，2017，7（07）：115-116.endprint