基于物聯網的高校自習教室節能管理系統設計

方 浩， 張志儉, 莊建軍， 高 琴， 葛中芹

(南京大學 電子科學與工程學院，南京 210023)

0 引 言

教室是高校日常教學活動的主要場所，同時也是大學生自習的主要場所,廣大師生希望教室能夠更加舒適，適合學習。隨著國家對教育經費投入的增加，高校越來越重視教室的建設，在投入資金購置電教設備同時，開始為教室安裝空調，改善教室環境舒適度，提高師生滿意度。

然而通過走訪和調研發現高校教室空調的使用和管理存在一定問題，空調管理比較機械僵硬，無法根據環境溫度的變化和教室內是否有人進行彈性管理,多個自習教室即使空無一人也長時間開著空調。根據環境學院多年對仙林校區用電調查顯示，教學區用電占整個校區用電的43.56%,自習時段內平均每個教室僅有4.58人(非考試周期間)，每個教室都配備有冷暖中央空調，不論教室內人數多少和環境溫度變化，空調始終處于工作狀態，造成能源巨大浪費。

高校作為國家培養高素質人才的重要基地，理應杜絕能源浪費的嚴重現象。目前已經有不少高校開始重視教室節能減排，但基本上都是在照明節電上下功夫。而事實上照明用電僅占教室用電的30%[1]，通過照明節電可挖掘的節能潛力有限，更大節能空間在空調用電，因此設計了一種基于物聯網技術的教室空調智能管理系統。該系統主要由數據采集(人數檢測和溫濕度檢測)、數據分析和空調控制3大部分組成，可根據各教室內的人數以及教室的環境狀況自動調整開啟空調，設備安裝方便，節能效率高，為建設“節能、低碳校園”提供了有力的技術支持[2]。

1 系統總體設計

基于物聯網技術的教室空調智能管理系統總體結構如圖1所示。

該系統主要由傳感控制節點、教室網關和服務器構成[3-4]。其中傳感控制節點包括人數檢測節點、溫濕度傳感節點、紅外控制節點和電源控制節點,分別負責檢測教室內的人數信息、溫濕度信息，調節紅外控制空調模式和電源控制。教室內各節點使用ZigBee無線傳感網絡通信，將人數檢測、溫濕度檢測信息通過通過ZigBee網絡傳給教室內網關，網關進行協議轉換通過以太網轉發送給服務器，同時將服務器傳送過來的控制信號通過ZigBee網絡發送給控制節點。服務器接收所有教室的數據，然后通過預設的決策模型數據分析產生控制命令發送給教室的控制節點，從而實時根據各教室人數和教室內溫濕度調控空調。當各教室內自習人數普遍過少時可關閉部分教室的空調進行導流，當教室內自習人數開始增多為避免擁擠可陸續增開部分教室空調進行分流，并且可根據教室內溫濕度變化實時調節空調的工作狀態提高舒適度。上位機可顯示每個教室的環境信息和空調狀態，支持手動調節。

2 硬件系統設計

系統的硬件設計框圖如圖2所示。硬件系統主要由教室網關、溫濕度節點、人數檢測節點、空調控制節點組成，分為信息采集硬件和空調控制節點硬件。每個教室由一個負責信息轉發的網關[5],若干個溫濕度節點、人數檢測節點和空調控制節點。教室網關主芯片采用意法半導體(STMicroelectronics)公司的STM32F103芯片，該芯片成本低、擴展功能豐富，集成定時器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能[6]。網關將所有信息通過以太網傳送給服務器，同時網關接收服務器發送的控制命令，STM32通過ZigBee網絡[7-8]將控制命令發送給命令控制節點。為施工和維護方便，教室內節點采用ZigBee無線網絡，使用了TI公司的CC2530芯片，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點，具有自組網、功耗低、連接穩定等特點。

2.1 信息采集節點

信息采集節點目前設計主要是溫濕度傳感器和人數檢測傳感器，后期可根據需要增加種類。溫濕度檢測采用的是DHT11傳感器，人數檢測采用樹莓派3和模擬攝像頭。DHT11溫濕度傳感器獲取教室溫濕度傳送給CC2530，CC2530通過ZigBee網絡將此數據發送給教室網關[9]。教室人數檢測采用機器學習的方法，訓練一個人頭的檢測模型封裝到樹莓派，模型對通過模擬攝像頭拍攝到的照片進行人頭檢測及可得到教室的人數信息，而且可以實時更新，消除累計誤差。最終得到的人數信息通過ZigBee網絡發送到教室網關。

2.2 空調控制節點

空調控制節點主要由紅外發射電路、紅外接收電路和繼電器組成[10-11]。紅外發射電路用于發射紅外控制信號控制空調狀態。紅外接收電路用于紅外學習空調的控制命令。

(1) 紅外發射電路。紅外發射電路如圖3所示。

圖3 紅外發射電路

目前紅外遙控采用的協議中規定了發射信號必須經過38 kHz的調制，所以圖3電路中的傳入信號設定為38 kHz。

(2) 紅外接收電路。紅外接收電路如圖4所示。

圖4 紅外接收電路

接收過來的38 kHz紅外信號需要經過解調才能得到控制信號，采用HS0038B作為紅外接收頭。解調前的控制信號如圖5所示，解調后的控制信號如圖6所示。接收電路對信號解調后，會在圖4紅外接收電路中OUT口輸出控制信號波形。解調的方式為：如果接收到的信號是38 kHz，那么解調后的輸出為高電平；如果接收到的為低電平，那么解調后直接輸出低電平，從而得到完整的控制信號[12]。

圖5 解調前信號波形

圖6 解調后信號波形

3 系統軟件設計

如圖7所示，系統的軟件主要分為節點、網關和服務器3個部分，連接這3個部分的是數據和命令接口。節點程序固化在CC2530內，上電后ZigBee自動組網，定時將檢測到的信息通過ZigBee網絡發送給網關；控制節點通過ZigBee網絡獲取網關發送的命令，并執行相應命令。網關程序固化在STM32F103中，從節點獲取信息，并封裝教室編號通過數據接口發送給服務器，同時網關從服務器獲取控制命令，找到節點編號并將此命令發送給對應節點[13]。上位機軟件由Java語言編寫，具有信息分析處理，空調任務調度和信息顯示等功能。具體的管理方案如下[14]：① 首先根據教室大小設定每個教室的最佳容納人數范圍。比如有100座的教室的最佳容納人數上限設為35人，同時為了提高空調的能源利用率，我們設定了一個最小的容納人數，比如100座教室最佳容納人數下限為5人。② 通過視頻人數檢測節點傳回的教室的實時人數，程序根據每個教室設定的最佳人數范圍來進行處理。當教室人數達到容納人數上限時，服務器會給下一個尚未開啟的教室電源發送開啟命令，教室空調電源被打開，這樣之后的同學就可以在這間教室自習。當教室人數達到容納人數下限時，空調的電源會自動的關閉，提高空調能源的利用率。③ 教室人數達到最佳容納人數范圍時，空調還會根據教室內的實時溫濕度自動的調節開啟的模式，確保教室環境維持在舒適的水平，避免過熱或過冷的情況發生。④ 每個樓層會設定一定數量的教室為長開放教室，教室電源一直開啟不隨人數發生變化，防止只有少數人自習但無法達到教室開啟的條件。⑤ 結合課表和教室借用信息，提前10 min將空調設為可用，確保教室啟用。

圖7 系統軟件架構圖

系統可根據學校管理需求預設決策模型，根據教室人數動態控制空調開關以此進行分流和導流[15]，在節能管理和學生滿意之間取得平衡。如圖8所示，后臺管理界面會顯示每個教室的實時信息，包括教室溫濕度、教室人數、空調模式、空調溫度等。同時支持自定義設置，能夠手動控制空調開關和工作模式[16]。

圖8 智能空調管理系統

4 結 語

物聯網的發展給現代生活帶來了很多的便利，本文設計了一種基于物聯網的智能空調管理系統，利用傳感器獲取教室數據，通過程序軟件分析，自動的控制教室內空調的狀態，大大的減少了能源浪費，節省了管理成本。系統具有很強的擴展性，比如將燈光控制、教室門禁控制、視頻監控都納入管理范圍，可大大方便教室管理部門的管理，通過APP可為學生提供當前教室狀態方便學生尋找合適的自習教室。在未來的大數據時代，物聯網能夠結合云計算分析獲取的教室數據，為教務部門提供更詳細的數據用于教學安排和教學評價，為建設“智慧校園”做出更多的貢獻。