教室節能控制系統設計

河南理工大學電氣工程與自動化學院 楊天翔 盧貞如 李子彥 張宏偉

為解決教室用電浪費問題，提出了一種基于物聯網技術的教室節能控制系統。該系統實時監測教室的光照度、溫度、人數信息，并根據室內人員情況控制教室風扇及照明設備的啟停。設計了數據采集電路、RS-485通信接口、單片機控制電路，編寫了控制程序。仿真及實驗結果表明，該系統可以實現教室的信息化，有效節約能源。

學校是重要的用電大戶，而教室用電量在學校占有較大比例。教室電能消耗主要包括照明及夏季風扇用電。為解決教室照明用電浪費問題，目前采取的節能措施主要包括：加強節能意識宣傳、規范教室用電相關規章制度、減少開放教室數量、派專人定期巡查等。以上措施雖然在一定程度上節約照明能耗，但限制了可用教室數，不利于調動學生的學習積極性。開放的教室通常開啟所有照明設備，未根據室內人員情況和光線強弱對照明燈具進行自動控制和智能化的科學管理，用電浪費現象依然比較嚴重。

隨著計算機和網絡技術的發展，物聯網技術已被應用于工農業生產領域。李京慧、王華等利用ZigBee技術實現智能教室網絡通信，張峰、伍世云等利用單片機實現智能教室控制，劉娣采用機器視覺實現人員識別。本文利用嵌入式系統和物聯網技術，設計了一種教室節能控制系統，可有效節約能源。

1 系統總體方案設計

系統總體結構圖如圖1所示，主要由監控計算機、RS485通信電路，節能控制模塊三部分組成。節能控制模塊基于單片機設計，實時監測教室信息，對照明燈、電風扇等電器設備進行控制，同時通過RS485通信電路將數據發送至上位機進行遠程監控計算機。監控計算機實現各個教室集中監控。

2 節能控制電路設計

節能控制模塊采用STC12系列單片機，由電源電路、時鐘電路和復位電路組成最小系統。信息采集電路主要采集溫度、光照度和教室人員數量等信息。

2.1 信息采集電路設計

（1）溫度檢測電路設計。溫度采用DS18B20數字化溫度傳感器，具有體積小，精度高等特點，溫度采集電路如圖2所示。

（2）光照強度檢測電路設計

圖1 系統結構圖

圖2 信息采集電路模塊

光敏電阻阻值隨光照的增強而減小，可以使用光敏電阻來捕捉光信號，并通過LM393比較器，產生高低電平，直接輸入給單片機的I/O引腳，電路原理圖如圖3所示。

（3）人員檢測電路設計

教室使用TCRT5000一體化反射型紅外對管來檢測是否有人進入并進行人數統計，并根據人數控制燈的亮滅，電路如圖4所示。

對于100人的教室，人數小于10人亮2個燈，10-20人亮4個燈，20-30人亮5個燈，30-40人亮6個燈，40-50亮7個燈，50-60亮8個，大于60人則亮10個燈。

2.2 繼電器驅動電路設計

照明及風扇控制采用繼電器驅動。單片機端口驅動能力小，無法直接驅動繼電器，本系統采用三極管放大電路驅動繼電器，同時在繼電器線圈兩端反并聯二極管，起續流作用，保護三極管在繼電器關斷時不被擊穿，繼電器驅動電路如圖5所示。

圖3 光照強度檢測電路

圖4 人員檢測電路原理圖

圖5 繼電器驅動電路

圖6 通信接口電路設計

2.3 RS485通信接口電路設計

由于監控室與教室間通信距離較遠，本系統采用RS-485通信接口，實現監控計算機與各教室節能控制模塊間的通信。RS-485是一種在工業控制及測量領域較為常用的網絡之一，傳輸距離遠，抗干擾能力強，協議簡單，利用RS-485通信接口可以將多個設備組成一個控制網絡。RS-485通信接口電路如圖6所示。

結束語：本文設計了一種基于物聯網的教室節能監控系統，通過傳感器實時采集教室溫度、光照強度數據，根據人員、光照及溫度信息自動控制設備運行，可以有效節約能源，減輕勞動強度，具有顯著的經濟和社會效益。