基于單片機技術的教室節能控制系統實現路徑

王青

(煙臺汽車工程職業學院，煙臺 265500)

0 引言

在學校這個場所，教室是學生主要活動的地方，它是師生之間進行知識交流的地方，而且高校一般都是屬于開放式的時段管理模式，對于教室資源的使用與高中、初中是不一樣的，高校的治安維護、資源調配和衛生都是由相應的管理人員進行管理[1]。自由調配的開放式教室雖然給學生的學習帶來了便利，但是因為缺乏科學的管理，造成教室能源浪費情況比較嚴重。有時候，在教室就一兩個人，但是教室的風扇、照明燈基本上都是打開的；還有教室的溫濕度、光線都是處于良好的學習環境下，還是會有人將風扇、照明等設備打開，造成教室資源被大量浪費。根據教室公共照明設計標準，教室照明的功率設計在10 W/m2左右，所以教室標準照明需要設計到96 m2，假設照明系統從早上8:00～21:00處于運行狀態，而每個教室每年按照160 kW·h設計，如果整個學校有210間教室，對高校教室照明系統控制技術進行改進，將電能節省力提高到30%，這時每年大概節省電能資源2.28×105 kW·h；如果電能照明單位是0.5元，每年可以節省大概12萬電能資源，這時排除教室照明系統的使用壽命和其他因素，充分表明對教室照明系統控制技術進行完善，具有很大的經濟效益，是學校教室可以重點研究的。

1 教室節能燈光控制器控制概述

對教室燈光進行控制可以利用系統程序實現自動化節能控制，從而有效調節教室燈光資源。該控制系統主要是對教室內溫濕度、人數、光照強度等信息進行收集，分析教室是否有人，光照、環境溫濕度是否滿足學習環境需求，從而決定是否將燈光系統打開，是否采取合理的燈具匹配對策。在該系統中，如果分析到教室光照環境滿足標準，就可以選擇關閉燈具，這個控制過程需要系統分析外部光照強度是否達到學生學習的闕值，或是分析對節能照明燈具進行充分匹配已達到合理利用資源的目的，從而保證教室燈光照明的穩定[2]。

本文選擇在教室燈光控制系統中，使用單片機作為整個核心控制部分，來提高教室照明系統節能效率，以及資源的合理調配；另外，結合傳感器等設備，構建智能化控制系統，從而有效提高整個系統的運行效率。在整個硬件設計中，根據教室對照明系統的標準規范，建立一個有軟件支持的控制系統，軟件構成部分，是由傳感器來采集各種信號，以及相關硬件設備對信息進行處理和傳輸，從而實現自動化教室燈光資源的節能控制和調度。

2 教室燈光節能控制系統總體設計方案

本文主要分析的是由PIC18F458型號單片機構成的教室燈光節能設計控制系統，這種單片機屬于整個檢測系統的核心控制器，然后結合通訊線RS-485實現對同層教室能源使用進行控制，并與每個單元的1n進行連接，之后利用CAN總線將綜合調配計算機中央系統與單元1n進行連接，從而提高教室燈光資源的動態高校協調管理，具體實現邏輯，如圖1所示。

圖1 自動化教室節能資源調配管理邏輯結構

根據圖1進行分析，該教室節能控制系統是由單片機PIC18F458作為核心控制系統，通過分析教室溫度和濕度、電氣運行情況、學生學習人數、光照強度等動態信息，之后在通過學校中央計算機King View6.5單元發布數字化、動態化、全中文、圖形化等教室信息到監控界面，讓管理人員能夠看到，從而實現資源的調配，為學校教學提供人性化的資源服務[3]。

3 教室燈光節能控制器的設計

根據圖1可以看出，在整個教室節能控制系統中，教室控制檢測單元是整個節能管理系統中的核心部分，它不僅可以監控教室動態對象信息，對這些信息進行運算分析和保存，而且也能實現對每個樓層單元的信息通信和共享等。

3.1 選型硬件設計

3.1.1 單片機選型

建立智能化教室資源節能控制系統，需要保證自動化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人員維護特點。所以，本次分析的單片機是PIC系統，是由Microchip公司開發的PIC18F458單片機設備。該設備具有哈弗通信總線結構、高速的運算分析、精簡指令(RISC)技術控制、驅動能力較強等優勢，可以實現對儀表儀器進行精度控制，也能使用在工業控制系統，以及家電器自動化控制領域中。

3.1.2 紅外數據的采集與處理單元

在教室技能系統中是由紅外傳感器對整個教室內部動態信息進行收集，同時結合處理子系統，采集人數信息，該系統的構成成本比較低，電路結構比較簡單。在教室節能控制系統中，人數信息收集是控制教室照明系統的重要數據，同時也是調整燈具運行狀態的依據，這樣才能實現合理調整教室內部資源。關于教室處理單元和紅外數據采集等結構邏輯，如圖2所示。

圖2 單元處理和紅外采集邏輯信息結構構成

3.1.3 采集單元光照信號選型

根據多種光敏電阻、光禍合器、光電管等電能探測器的功能進行分析，與人視覺敏感區光波長比較接近的是光敏電阻產生的光譜峰值；如果外部環境的光照強度下降，這時光敏電阻響應產生的時間也會增多，這就是在控制教室燈光強度時，隨著光照強度其輸出狀態也會進行合理調整。所以，本次研究對于教室光照強度選擇光敏電阻進行數據采集和單元處理。關于采集教室光照強度情況的硬件電路，如圖3所示。

圖3 教室采集光照強度電路

由圖3分析，光敏電阻是RO，隨著教室光線強度的變化電阻值也會出現上下變動，這樣可以保證教室燈光能源的穩定供給；其中R是教室光照電路中采集的負載電阻；C是電路中去耦電容，而Vcc是電能采集中+5 V電源。

3.2 軟件編程設計

在整個教室節能控制系統中，主要是由信號采集、智能調節、信號傳輸等功能模塊構成，其中軟件編程模塊是必不可少的部分。上述分析道、軟件部分主要是對紅外采集系統和光照強度電力采集系統收集到的數據進行處理和分析，從而實現電路的控制。

3.2.1 采集紅外數據和電路軟件設計

對教室內的學習學生通過紅外傳感器進行動態檢測，從而建立照明燈具合理控制的最優方案，關于軟件控制紅外數據處理流程，如圖4所示。

3.2.2 電路軟件光照強度采集設計

在單片機采集光照信號電路系統中，軟件設計部分是利用光敏感傳感器來收集教室光照強度動態數據，同時對其進行處理，詳細軟件流程，如圖5所示。

圖4 紅外數據采集處理電路軟件流程

圖5 采集光照強度的電路軟件流程

4 上位監控系統設計

在整個教室資源節能系統控制中是由教學樓中央計算機作為上位監控機，在教室正常系統運行中，該模塊可以對采集到的信息進行實時分析和儲存，同時與教室節能終端檢測控制器和CAN總線系統實現通信，對教室動態節能智能化系統進行合理調節。在教室資源節能系統控制中，上位機與軟件部分構成可視化界面，顯示各種采集信息。

5 總結

本文主要是以提高教室能源合理分配為主，對教室建立的節能管理系統進行分析，該系統主要是有檢測技術、單片機技術、控制技術等構成，其中在教室節能資源動態管理中，使用的單片機是PIC18F458設備，這對提高教室能源使用的效率有很大幫助，同時達到節約資源的目的。