基于無線網絡和熱釋電人體紅外的節能照明系統設計

楊 婕,胡澍山,曹洪武

(塔里木大學 信息工程學院,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

近年來,隨著國內高校辦學規模的擴大,很多高校普遍擁有數量眾多的教學樓宇,但多數學校的照明設備管理仍然以人工管理方式為主,對無人教室缺乏有效的照明控制,在一定程度上存在電力資源浪費的問題。因此,本文結合新疆塔里木大學3棟主教學樓用電現狀,將無線通信技術和熱釋電人體紅外控制技術引入照明控制系統,設計了一套基于無線網絡和熱釋電人體紅外的智能節能照明系統,即T8型燈+智能照明控制系統。照明系統安裝人體紅外檢測器,系統后臺與教務處數據庫相結合,以此來實時獲取各教室用能狀況數據。系統以人體紅外感應數據以及教室用能情況為主要控制條件,用電時間作為輔助條件,從根本上達到“無人燈滅”“有人燈開”的高效節能目的[1]。

1 背景分析

本文以塔里木大學綜合樓、逸夫樓、二號樓3棟教學主樓為調查模型,從用電時間出發,對方案A(T8型LED燈+傳統照明),方案B(T8型LED燈+基于無線網絡和熱釋電人體紅外的智能節能照明)進行可視化比較分析。

綜合樓現有普通教室84間,階梯教室6間;逸夫樓現有普通教室15間,階梯教室18間;二號樓現有普通教室84間。普通教室照明負荷為0.9 kW,階梯教室照明負荷為1.1 kW。結合塔里木大學作息時間表以及阿拉爾市不同季節平均日照時長,日均最高最低氣溫,計算出除去學生放假時間阿拉爾市夏季晴天天數79天,陰天天數12天;冬天晴天天數132天,陰天天數47天。由此可得出方案A下不同季節、不同天氣下綜合樓每年消耗電能總量。具體耗電量如表1所示。

表1 3棟教學主樓年用電量 單位:kW·h

根據國家電網新疆供電公司2022年5月最新發布的阿拉爾市最新電價顯示,塔里木大學執行電價為0.39元/kW·h。由此,通過計算方案A,塔里木大學3棟教學主樓年用電費用約10.43萬元。

根據采集到的數據,本文設定了一個模型,以照明設備為中心的120°范圍作為可以照亮的人體輻射范圍。基于這一設定,可以測算出該設備的工作范圍,確保可以覆蓋周圍的10個座位。同時設備設定,如果照明設備正常啟動后2 min內,無法感應人體到所輻射的紅外線,就會自動熄滅。

通過測試,此系統設備節能率達32%左右。在方案B下,以塔里木大學為例的3棟教學主樓年用電費用共計比方案A減少5.03萬元。塔里木大學3棟教學主樓不同方案比較如表2所示。

表2 塔里木大學3棟教學主樓不同方案比較

由表2可知,對比方案A、方案B,塔里木大學一年僅3幢教學樓將節省3.82萬kW·h的電量,預計節省用電費用5.03萬元。綜上,方案B為最佳方案。

2 系統總體方案設計

系統總體方案包括軟件端、硬件端以及服務器。軟件端通過結合底層基于MQTT協議對教室內人體紅外信號的感應,以及讀取數據庫中預先導入的課程表上課時間,生成決定教室照明設備開啟或關閉的數據。通過對人體紅外信號數據的接收發,實現用控制板自動控制照明系統的開關功能以及利用軟件端遠程實時監控教室中照明設備使用情況,從一定程度上解決高校“無人燈亮”所帶來的電能損耗問題。

系統基于STM32與Qt框架,內部通信橋是通過以太網建立的,采用MQTT協議接收并解析服務器發送的指令。底層利用ZigBee協議[2],將STM32單片機發出的指令傳輸到其他單片機,以此來控制照明設備,從而實現用控制板自動控制和監控教室中的照明用電設備。系統設計路線如圖1所示。

圖1 系統總體設計

系統內部研究分為以下3個模塊。

(1)硬件端的指令接收以及發送:①選用外時鐘作為系統的工作電路[3]。運用搭載KSZ8081芯片以及帶有以太網口的STM32單片機,底層接收并解析服務器傳達是否需要開燈的指令。CC2530作為通信板連接在STM32單片機,將STM32發出的指令傳輸至各個照明設備。②底層采用支持ZigBee協議的子設備,負責收集和傳輸傳感器監測的人體熱量信號數據,其工作范圍在以燈管為圓心的120°范圍內。經過解析,利用MQTT協議將該信號傳輸至服務器直至終端[4]。

(2)軟件端的可視化界面設計以Qt為編輯框架,主要對照明設備監視圖以及照明設備開關控制2個可視化界面進行開發。

(3)數據庫的搭建與數據收發:為完成與教務處數據庫匹配并避免數據交叉,本部分將在仿真實驗中進行。軟件與服務器連接完成后運行在虛擬機中,服務器對數據庫課表排課時間數據以及各教室路由IP進行讀取。此外,將設置不同參數,模擬現實場景,使得在仿真實驗中數據庫中的課表也會隨著預約教室、調課等情況作出調整。

3 系統指令的接收與發送

本部分運用MQTT協議,系統整體內部數據的傳輸路徑:控制端將數據發送到代理服務器,代理服務器將接收的數據傳輸至系統內的一塊STM32單片機。該單片機作為教室指令傳輸中轉站,最終數據由基于ZigBee協議的CC2530發送到其他終端。ZigBee是低速短距離的無線傳輸協議,在一定范圍內,使用該協議的設備會自動進行組網,一般會組成星狀拓撲結構。該網絡中的設備會以3種形式存在[5]。

基于ZigBee協議的特點,內部安裝MQTT協議的路由器向硬件端中的一個STM32單片機進行數據指令轉發,STM32作為中轉站對指令進行解析,解析完成后,如果判斷出該指令不是單片機所需要的,則STM32單片機通過串口將該指令傳輸到CC2530通信板上。CC2530作為ZigBee網絡中的路由器,向ZigBee網絡中的其他終端發送指令。其他終端收到指令后,按照指令進行操作。基于ZigBee協議的信息收發流程如圖2所示。

圖2 基于ZigBee協議的信息收發流程

4 硬件端模塊設計

系統由在每間教室以多個STM32單片機和CC2530通信板構成的統一整體的形式組成。其中一個整體的STM32通過以太網連接到MQTT代理服務器實現指令的接收與發送,這部分稱為總機。CC2530作為ZigBee網絡中的一個路由節點,當底層人體紅外感應模塊感應到數據并利用CC2530向總機下達數據指令時,總機讀取并解析指令,再由串口將指令發送到ZigBee網絡中各個路由節點上,CC2530將指令發送到各個終端,最終通過控制繼電器的開關間接控制照明設備的開關。硬件端部分設計如圖3所示。

圖3 硬件端部分設計

5 軟件端模塊設計

軟件端模塊采用Qt框架對整套軟件進行可視化設計,構成軟件端的圖形化用戶界面。可視化界面主要實現了照明設備監控界面以及照明設備開關控制視圖。其中,監控界面以監控視圖為主要形式,管理人員可觀察照明設備的工作狀態;照明設備開關控制視圖中,包含所有教室照明設備控制控件、教室總電源控制控件以及單獨燈管控制控件,此界面也可單獨顯示,并具有一鍵開關功能。

數據庫搭建與數據接收發部分為仿真實驗。實驗中,軟件運行后采用自適應匹配,最終實現與相應教室路由的連接。數據信號通過以太網傳輸到指定的STM32單片機,實現單片機自動完成控制照明系統開關的任務。

6 結語

基于無線網絡和熱釋電人體紅外的智能節能照明系統將對采集到的人體紅外信號數據與數據庫中課表數據進行對比,完成是否開啟照明設備的指令的判斷,并將該指令發送至各個智能節能照明系統,以此完成對教室的分區域、分時間段管理,在一定程度上達到了節能目的。