基于智能傳感器檢測的智慧校園節能減排的系統研究

賴駿芪，莫秀英

（廣州華商職業學院，廣東廣州，511300）

0 引言

全球氣候的變化使得越來越多國家關注溫室氣體對于氣候的影響，并開始致力于碳減排。節能減排主要在于節省用電，節約1 度電可以減少0.997 千克二氧化碳。2022 年3月30 日，廣東省發展改革委發出關于加強廣東省全社會節約用電管理的通知，通知要求，全省各級黨政機關、事業單位等公共機構要率先垂范，帶頭踐行綠色節能辦公，做好辦公設備科學用電、節約用電管理。

校園是學校和教職工工作和生活的區域，校園的電耗主要集中在三個方面，即照明設施使用、計算機使用和空調使用。針對人走后，教室的照明設施、計算機和空調依然開著造成浪費的情況，提出一款基于智能傳感器檢測的智慧校園節能減排設計方案，配備毫米波人體檢測模塊，監測教室是否有人在，沒人在可以實現關掉所有設備，包括空調、燈和計算機等動作；配備電量計量模塊，可以監測每個教室用電情況，如電壓、電流、二氧化碳排量等信息；配備溫濕度模塊，監測教室的溫濕度；配備門禁控制模塊，實現人走門關的功能。

1 總體設計方案

（1）智能終端交互界面，可實現傳感器的數據交換，將MR5G21 人體存在檢測模塊、溫濕度檢測模塊、電量計量模塊和門禁控制模塊的數據顯示出來，便于人機交互。并具備語音、WiFi 聯網、擴展sd 卡、云端通信能力等多功能，支持 FOTA 功能，便于遠程維護升級。

圖1 系統設計框圖

（2）MR5G21 人體存在檢測模塊，具備人體存在自動檢測功能，可實現人走自動關閉設備的功能，配合門禁控制器，實現關門動作，從而節省用電，減少樓管的工作，節約了人力和物力。

（3）溫濕度檢測模塊，可實現監控室內溫濕度的數據。

（4）電量計量模塊，測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率、二氧化碳排量等數據，監測每間教室的用電情況。

（5）門禁控制模塊，可以配合MR5G21 人體存在檢測模塊實現自動關門動作，或者配合智能終端交互界面實現手動關門開門動作。

2 設計方案

整個智能傳感器檢測的智慧校園節能減排設計方案布局如圖2 所示，智能傳感器安裝在教室頂部，智能終端交互面板安裝在教室門口，面板上可顯示的信息如下：教室的溫濕度；電量計量情況，如當前的電流、電壓、功率、二氧化碳排量等；通過MR5G21 人體存在檢測模塊檢測是否有人在，從而實現照明、計算機、空調和門禁的自動控制。

系統的設計圖如圖3 所示，系統的數據控制通過智能終端交互面板控制，該交互面板具有語音、WiFi 聯網、擴展sd 卡等多功能。MR5G21 人體存在檢測模塊用于人體檢測；電量計量模塊用于測量教室的電壓、電流、有功功率、二氧化碳排量等信息；溫濕度模塊用于檢測該教室的溫度和濕度大小；門禁控制模塊，可實現以下功能：讀取門禁繼電器狀態、設置門禁繼電器狀態、消防聯動等。所有模塊之間的通訊使用Modbus485 通訊協議。

當然，如果僅僅是對著條條框框進行講解，學生認識還不夠深刻.技術人員一般會舉幾個近期發生的實例講給學生們聽，收效明顯，提高了學生的重視程度.另外，技術人員也會通過多媒體的形式講解安全常識.這些多媒體安全宣傳片給學生帶來極大的震憾，安全警示牢記于心.

圖3 系統設計圖

■2.1 智能終端交互面板

智能終端交互面板選擇上海睿賽德電子科技有限公司基于柿餅 UI 開發的一款顯示屏板卡，用于提供 IoT、智能家居、消費電子等領域的屏幕開發解決方案。尺寸小巧，功能強悍，支持豐富的外設通訊接口，可外接傳感器或其他主控單元，支持豐富的網絡協議和音視頻播放，此外，支持FOTA 功能，便于遠程維護升級。

■2.2 MR5G21 人體存在檢測模塊

MR5G21 人體存在檢測模塊向檢測區域發射5.8GHz 的FMCW 及CW 無線電波，并接收區域內的所有運動、微弱運動的目標反射的無線電波，由模塊的微波電路轉換為差頻電信號，然后根據線性調頻連 續波目標調制原理，經高性能數字信號識別算法處理，分析區域內是否有微動目標和運動目標。站著不動、蹲著不動、坐著不動等靜止的人體，由于呼吸會引起胸腔及身體其他部位的微弱起伏運動，MR5G21 能以極高靈敏度可靠地檢測這類微弱運動，從而感知區域內是否有人或無人存在。

同時，MR5G21 為行業首次引入多目標距離測量技術，解決微波穿墻和距離邊界模糊的行業難題。比設置能量閾值或距離百分比的距離控制方案，MR5G21 的距離、區域控制更加可靠、穩定、一致性強，檢測范圍如圖5 所示。

圖5 檢測范圍

圖6 溫濕度傳感器模塊

圖7 IM1266模塊引腳圖

■2.3 溫濕度檢測模塊

采用工業級芯片，高精度進口SHT20 溫度傳感器，具有優異可靠性、高精度、互換性，兼容標準的工業Modbu 協議，可實現自動輸出溫濕度。具備以下功能：

（1）溫濕度寄存器模塊不支持修改波特率；

（2）讀輸入寄存器：【溫度】0x0001 【濕度】0x0002；

（3）讀寫從機地址：【從機地址】0x0101。

■2.4 電量計量模塊

電量計量模塊使用IM1266 單相交直流自適應電能計量模塊，該模塊可準確測量測量回路中交流或直流電參數而無需更換模塊，準確度優于國家1 級標準；其可以測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數據；通過相應接口方便和其他單片機、ARM 連接實現自動化數據采集及監控功能。

■2.5 門禁控制模塊

門禁繼電器支持Modbus 協議進行操作控制，從機地址默認0xB3，支持線圈寄存器讀/寫和支持保持寄存器讀寫。具備以下功能：

（1）讀取門禁繼電器狀態（功能碼0x01）；

（2）設置門禁繼電器狀態為低電平（功能碼0x05）；

（3）設置門禁繼電器狀態為高電平（功能碼0x05）；

（4）消防聯動。

■2.6 Modbus 通訊協議

整個系統數據交換使用Modbus 協議，默認9600 波特率，8 位數據，無奇偶校驗，1 位數據停止位。出廠默認從機地址：溫濕度0xB1，電量計0xB2，門禁0xB3，毫米波模塊：0x41（字符’A）。

3 軟件實現

軟件設計流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件設計流程圖

4 測試結果

■4.1 毫米波測試

采用毫米波檢測技術，可以檢測是否人在，可以實現人走所有設備關的功能，節省了用電，減少樓管的工作。從圖9 中可以看出毫米波感應為沒人，門禁的狀態為關閉，還可以檢測光照度。

圖9 毫米波檢測結果

■4.2 電能計量測試

采用電能計量檢測技術，實時測量電壓、電流、功率、功率因素、頻率、碳排放量等數據信息，碳排量是當今社會所關注的重要問題。

圖10 電量顯示和溫濕度顯示界面

■4.3 主界面顯示

采用智能終端交換界面，可實現傳感器的數據交換，具備語音、WiFi 聯網、擴展sd 卡等多功能，支持 FOTA 功能，便于遠程維護升級。

圖11 主界面

5 總結

節能減排可以幫助學校節約了用電成本，同時減少二氧化碳氣體的排放，有利于環境的美化，有助于學生的呼吸健康；整套設備智能化設計，節省用電的同時，減少樓管的工作，有助于校園的智能化管理，打造低碳智慧校園。

節能減排貫徹落實廣東省節約用電的科學發展觀、構建社會主義和諧社會的重大舉措，是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇，是推進經濟結構調整，轉變增長方式的必由之路，是維護中華民族長遠利益的必然要求。因此，節能減排是一項功在當代，利在千秋的事業，有助于我國經濟的可持續性發展。