教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時監(jiān)測教室的光照度、溫度、人數(shù)信息，并根據(jù)室內(nèi)人員情況控制教室風(fēng)扇及照明設(shè)備的啟停。設(shè)計了數(shù)據(jù)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(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)教室的信息化，有效節(jié)約能源。

學(xué)校是重要的用電大戶，而教室用電量在學(xué)校占有較大比例。教室電能消耗主要包括照明及夏季風(fēng)扇用電。為解決教室照明用電浪費問題，目前采取的節(jié)能措施主要包括：加強節(jié)能意識宣傳、規(guī)范教室用電相關(guān)規(guī)章制度、減少開放教室數(shù)量、派專人定期巡查等。以上措施雖然在一定程度上節(jié)約照明能耗，但限制了可用教室數(shù)，不利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。開放的教室通常開啟所有照明設(shè)備，未根據(jù)室內(nèi)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(xué)管理，用電浪費現(xiàn)象依然比較嚴重。

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。李京慧、王華等利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智能教室網(wǎng)絡(luò)通信，張峰、伍世云等利用單片機實現(xiàn)智能教室控制，劉娣采用機器視覺實現(xiàn)人員識別。本文利用嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種教室節(jié)能控制系統(tǒng)，可有效節(jié)約能源。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由監(jiān)控計算機、RS485通信電路，節(jié)能控制模塊三部分組成。節(jié)能控制模塊基于單片機設(shè)計，實時監(jiān)測教室信息，對照明燈、電風(fēng)扇等電器設(shè)備進行控制，同時通過RS485通信電路將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行遠程監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機實現(xiàn)各個教室集中監(jiān)控。

2 節(jié)能控制電路設(shè)計

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

2.1 信息采集電路設(shè)計

（1）溫度檢測電路設(shè)計。溫度采用DS18B20數(shù)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(shè)計

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(shè)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(shù)統(tǒng)計，并根據(jù)人數(shù)控制燈的亮滅，電路如圖4所示。

對于100人的教室，人數(shù)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(qū)動電路設(shè)計

照明及風(fēng)扇控制采用繼電器驅(qū)動。單片機端口驅(qū)動能力小，無法直接驅(qū)動繼電器，本系統(tǒng)采用三極管放大電路驅(qū)動繼電器，同時在繼電器線圈兩端反并聯(lián)二極管，起續(xù)流作用，保護三極管在繼電器關(guān)斷時不被擊穿，繼電器驅(qū)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(qū)動電路

圖6 通信接口電路設(shè)計

2.3 RS485通信接口電路設(shè)計

由于監(jiān)控室與教室間通信距離較遠，本系統(tǒng)采用RS-485通信接口，實現(xiàn)監(jiān)控計算機與各教室節(jié)能控制模塊間的通信。RS-485是一種在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一，傳輸距離遠，抗干擾能力強，協(xié)議簡單，利用RS-485通信接口可以將多個設(shè)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。RS-485通信接口電路如圖6所示。

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的教室節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器實時采集教室溫度、光照強度數(shù)據(jù)，根據(jù)人員、光照及溫度信息自動控制設(shè)備運行，可以有效節(jié)約能源，減輕勞動強度，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。