基于PLC多功能智慧教室

陳思敏 劉凱 徐月華 鄭偉佳 黃少彬 林一帆

Multifunctional Smart Classroom Based on PLC

摘要： 針對考勤效率低，教室能源浪費等問題，本文提出一種基于PLC多功能智慧教室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)教室照明的智能控制，智能考勤和智能控制多媒體設(shè)施，在不同的情況下可開啟特定的模式，以滿足不同亮度環(huán)境的需求，達到節(jié)能、人性化目的。

Abstract： In view of the problems of low attendance efficiency and energy waste in classrooms， this paper presents a multi-functional smart classroom control system based on PLC. The system can realize intelligent control of classroom lighting， intelligent attendance and intelligent control of multimedia facilities. Under different circumstances， specific modes can be turned on to meet the needs of different brightness environments and achieve energy-saving and user-friendly goals.

關(guān)鍵詞： 智慧課室； PLC；傳感器

Key words： smart classroom；PLC；sensor

中圖分類號：TP212.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0115-03

0 引言

隨著教育事業(yè)的發(fā)展，學(xué)校教室的智能化需要越來越高。而大部分高校的教室的智能化還是以使用多媒體為中心，人工操作為主，智能化遠遠不夠，而教室的照明用電的管理，基本處于一種粗放式的管理狀態(tài)。高校教室都普遍存在一種狀況，當(dāng)不多的學(xué)生在教室自習(xí)時，所有的燈都開著，造成大量的電能浪費；而教務(wù)處老師巡課還是按照傳統(tǒng)的人工點人數(shù)的模式為主，工作量大還耗時；當(dāng)開啟多媒體時，基本還是需要人工操作投影儀的開啟和投影幕投下、人工關(guān)閉講臺照明和窗簾。

基于上述問題本文提出基于PLC多功能智慧教室控制系統(tǒng)，通過紅外對射傳感器模塊來檢測室內(nèi)人數(shù)決定開啟照明設(shè)備的數(shù)量并將人數(shù)顯示在數(shù)碼管顯示模塊；且通過設(shè)置一鍵開啟多媒體設(shè)備，省去了傳統(tǒng)的手動開啟投影儀和投影幕的操作，并通過控制講臺照明燈光和窗簾達到最佳的視覺效果；晚上紅外對射傳感器模塊作為檢測模塊，在布防情況下非法入侵者闖進教室時，系統(tǒng)會輸出報警信號，整體上從以上幾方面實現(xiàn)了智能教室的效果。

1 系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)以教室為研究載體，教室平面圖如圖1。

如圖1所示，教室分為座位區(qū)域、講臺區(qū)域和門窗。黑色區(qū)域為學(xué)生座位，白色區(qū)域為照明設(shè)備，灰色區(qū)域為講臺。該系統(tǒng)主要在出入口、窗戶和每個照明區(qū)域安裝傳感器，PLC作為系統(tǒng)的控制單元，負責(zé)控制照明、窗簾、多媒體設(shè)施和輸出室內(nèi)人數(shù)。教室在規(guī)定時段作為上課課室、自修室和安全防范課室。

當(dāng)教室開啟電腦時，啟動投影儀，下降投影幕布，自動合閉窗簾和關(guān)閉講臺上方的照明設(shè)備，使投影儀顯示效果更佳。

夜晚時，由安裝在出入口的紅對外管探測是否有人進出教室，PLC接收紅外對射傳感器的狀態(tài)信息，由PLC實現(xiàn)室內(nèi)人員計數(shù)，PLC根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果智能開啟所需的區(qū)域照明，提高照明設(shè)備的利用率，大大減少電能浪費。

在進入安全系統(tǒng)布防時，由紅外對射傳感器檢測是否有人員進入，進行聲光報警的安全防范設(shè)置。

此外，系統(tǒng)把PLC的人數(shù)統(tǒng)計結(jié)果輸出至數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）上，方便老師登記上課人數(shù)，也方便學(xué)生晚自習(xí)時選擇教室。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)主要由紅外對射傳感器模塊、多媒體電腦開啟信號、PLC控制器及I/O拓展模塊、照明設(shè)備模塊、聲光報警器、數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）和電動窗簾7個模塊組成。通過門前、門后兩對紅外對射傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)，將探測數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC統(tǒng)計數(shù)據(jù)并控制照明設(shè)備開啟多少個區(qū)域的照明。當(dāng)多媒體有開啟信號輸入時，PLC對照明燈光和窗簾進行控制，使教室達到最佳的視覺效果；而當(dāng)進入安防階段時，PLC對紅外對射傳感器的感應(yīng)數(shù)據(jù)進行檢測，從而做出對聲光報警器的輸出控制，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

①PLC控制器及I/O拓展模塊：該模塊為系統(tǒng)控制核心，可通過PC/PPI電纜與電腦通信，實現(xiàn)編程和調(diào)試。門內(nèi)外兩側(cè)紅外對射傳感器、多媒體開關(guān)分別與I/O拓展程序的輸入端相接，控制教室區(qū)域照明、窗簾電動機、投影設(shè)備、人數(shù)顯示屏、聲光報警器。

②雙并列紅外對射傳感器模塊：兩個紅外對射傳感器分別置于門內(nèi)和門外，判別人是進去還是出來；先通過門內(nèi)探測器再通過門外探測器就判定為出去，相反則判定為進來。[1]

③電動窗簾：電機驅(qū)動主要實現(xiàn)對窗簾電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的驅(qū)動。由于PLC供電電壓為24V，可通過繼電器控制交流接觸器，然后再控制電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)多媒體開啟時，電機正轉(zhuǎn)，窗簾拉合；當(dāng)檢測到多媒體關(guān)閉時，電機反轉(zhuǎn)，窗簾拉開。通過PLC設(shè)置電機運行時間，時間到了電機停止轉(zhuǎn)動。

④投影設(shè)備：包括投影儀開關(guān)和投影幕布電動機正反轉(zhuǎn)。

⑤數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）：計數(shù)部分由PLC實現(xiàn)，主要是對進出人員的數(shù)目做加法或減法處理，統(tǒng)計的同時把分析的結(jié)果輸出給數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）。當(dāng)某位顯示內(nèi)容欲發(fā)生變化時，進行更新顯示模塊，人數(shù)增加時，則可以通過數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）顯示上一個有效P參數(shù)（即P參數(shù)對應(yīng)的寄存器D）對應(yīng)的PLC寄存器的值，當(dāng)人數(shù)減少時，則可以通過顯示下一個有效P參數(shù)（即P參數(shù)對應(yīng)的寄存器D）對應(yīng)的PLC寄存器的值，進行人數(shù)的加減情況顯示。

⑥聲光報警器：主要實現(xiàn)在特定時間段由雙并列紅外對射傳感器模塊判斷是否有人進入課室，由于PLC供電電壓為24V，可通過繼電器控制交流接觸器，當(dāng)有人在布防時間段進入課室時，聲光報警器被觸發(fā)，進行聲光報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)由主程序和兩個子程序構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)上電時，首先對系統(tǒng)進行初始化，然后運行時間判斷程序，若在06：00至18：00時間段內(nèi)，則進入白天模式子程序；否則，則進入夜晚模式子程序。

其中，白天模式子程序流程圖如圖3。

在白天模式子程序中：一方面通過紅外對射傳感器和PLC統(tǒng)計教室的人數(shù)，當(dāng)門外側(cè)傳感器有信號輸入接著門內(nèi)側(cè)也有信號輸入，則判斷為有人進入，PLC計數(shù)程序計數(shù)加1；當(dāng)門內(nèi)側(cè)有信號輸入接著門外側(cè)也有信號輸入，則判斷為有人出去，PLC計數(shù)程序計數(shù)減1，從而統(tǒng)計出教室內(nèi)的總?cè)藬?shù)，將數(shù)據(jù)輸出在數(shù)碼管顯示模塊（簡易文本CF160）上顯示。當(dāng)檢測多媒體電腦開啟時，自動啟動投影設(shè)備，合閉窗簾和關(guān)閉的照明設(shè)備，使投影儀顯示效果更佳。

夜晚模式子程序流程圖如圖4。

在夜晚模式子程序：首先運行時間判斷程序，若在18：00-23：00時間段內(nèi)，則通過紅外對射傳感器和PLC統(tǒng)計教室的人數(shù)，智能開啟所需照明范圍的照明設(shè)備。當(dāng)教室內(nèi)有人且人數(shù)小于10，區(qū)域1照明設(shè)備開啟，當(dāng)人數(shù)大于10，區(qū)域1和2照明設(shè)備都開啟。當(dāng)人數(shù)大于20，區(qū)域1、2、3照明設(shè)備開啟。若在23：00至次日06：00時間段內(nèi)，則強制關(guān)閉照明設(shè)備，進行安全防范布防，進行對教室內(nèi)限制人員的進入。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以PLC為核心，由紅外對射傳感器、對應(yīng)的控制設(shè)備和顯示設(shè)備組成。該系統(tǒng)能實現(xiàn)智能控制照明、窗簾、多媒體、安防和考勤，做到節(jié)約能源、提高考勤效率和改善多媒體使用者舒適性。該系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用各所學(xué)校內(nèi)，為師生提供一個環(huán)保、便利、舒適的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。整體體現(xiàn)了創(chuàng)新節(jié)能的理念，不過當(dāng)學(xué)生進入教室的間隔時間非常短或緊挨著的情形下，系統(tǒng)有可能漏記錄情況出現(xiàn)，日后系統(tǒng)可沿這個方向進一步改進和完善。

參考文獻：

[1]郝江城，杜志強，劉國華.室內(nèi)LED智能照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2012，34（2）.

[2].桂要生，向橋，楊康.基于紅外技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2009，37（8）.

[3]祁松明，鄭濤.面向動靜態(tài)人體的被動式熱釋電紅外探測器[J].中國住宅設(shè)施，2014（5）.

[4]諶容，胡澤，張扯拉，等.基于單片機控制的智能光控窗簾系統(tǒng)研究[J].電子世界，2013（9）：21-22.