基于單片機(jī)的教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張?jiān)评颍軙云剑祀p霞

（新余學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新余 338004 ）

0 引言

教室作為高等院校主要教學(xué)和學(xué)習(xí)交流場(chǎng)所，為了便于學(xué)生間進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)的相互動(dòng)態(tài)交流，通常采用分時(shí)段開(kāi)放式自由管理模式，也就是說(shuō)教室資源沒(méi)有像高中、初中等學(xué)校那樣將其特定到某個(gè)班級(jí)，這樣教室資源的調(diào)配、衛(wèi)生、以及治安維護(hù)等工作均由教室管理人員進(jìn)行靜態(tài)的管理。教室資源的開(kāi)放式管理雖然給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)交流提供了便捷的場(chǎng)所，但由于缺乏對(duì)應(yīng)的高效調(diào)配管理自動(dòng)化系統(tǒng)，很多教室能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)一兩個(gè)人，甚至無(wú)人情況下，教室照明燈具、風(fēng)扇等長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)；或者在光線強(qiáng)度、溫濕度等條件滿足學(xué)習(xí)要求時(shí)，照明、風(fēng)扇等耗能電器依然處于額定運(yùn)行工況，從而造成大量的電能資源浪費(fèi)。按照教室等公共區(qū)域的照明設(shè)計(jì)規(guī)范可知，教室照明功率密度通常按照10W/m2進(jìn)行設(shè)，也就是說(shuō)如果一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教室按照96m2進(jìn)行設(shè)計(jì)，則按照其照明系統(tǒng)從早晨8點(diǎn)到晚上9點(diǎn)正常運(yùn)行13個(gè)小時(shí)，每個(gè)教室每個(gè)教學(xué)年度按160kw .h，整個(gè)學(xué)校共有210間教室進(jìn)行計(jì)算，如果采用相關(guān)先進(jìn)控制技術(shù)手段將其照明系統(tǒng)的節(jié)電能力提高30%，則全年大約可以節(jié)約電能資源2.28×105kw .h，如果按照單位電能0.5元進(jìn)行計(jì)算，則全年可以節(jié)約電費(fèi)額為12萬(wàn)元左右，而且上述估算分析中還沒(méi)有考慮教室照明系統(tǒng)的線損、燈具使用壽命等因素，因此，對(duì)教室照明系統(tǒng)等進(jìn)行節(jié)能技術(shù)升級(jí)改造，其所獲得的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，是學(xué)校教室建筑節(jié)能降耗研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

1 教室燈光節(jié)能控制器控制簡(jiǎn)介

教室燈光控制器可以通過(guò)內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部照明燈光系統(tǒng)的有效節(jié)能自動(dòng)智能化調(diào)節(jié)控制。從整個(gè)系統(tǒng)的功能效果來(lái)看，其系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)主要是教室內(nèi)人體存在信號(hào)、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等特征信息當(dāng)量，即在教室檢測(cè)到有人存在時(shí)，結(jié)合環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照等外部因素，動(dòng)態(tài)判斷是否開(kāi)啟燈光系統(tǒng)以及照明燈具相互節(jié)能匹配方案等；當(dāng)環(huán)境光照等滿足教室照明規(guī)范需求時(shí)，就會(huì)控制燈具不打開(kāi)，即只有當(dāng)教室內(nèi)存在學(xué)習(xí)人員且外部環(huán)境光照強(qiáng)度參數(shù)達(dá)到某種閾值條件以下時(shí)，并在內(nèi)部計(jì)算分析判斷合理調(diào)節(jié)照明燈具開(kāi)啟匹配方案，達(dá)到教室照明燈光高效穩(wěn)定節(jié)能運(yùn)行效果。為了實(shí)現(xiàn)教室照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行的靈活性和高效節(jié)能性，本文選取單片機(jī)作為這個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制器，結(jié)合光照度傳感器等硬件設(shè)備，通過(guò)自動(dòng)智能化控制，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠性。對(duì)于硬件部分的設(shè)計(jì)，只要結(jié)合教室照明系統(tǒng)基本功能要求，通過(guò)合理選型搭配構(gòu)筑一個(gè)完善的功能硬件系統(tǒng)，為系統(tǒng)軟件運(yùn)行提供一個(gè)重要的技術(shù)支持平臺(tái)；對(duì)于軟件部分的設(shè)計(jì)，通過(guò)各種傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并結(jié)合其它硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸、分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光資源的自動(dòng)智能化節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行。

2 教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)以PIC18F458單片機(jī)作為教室檢測(cè)控制單元的核心控制器，然后通過(guò)RS-485通訊線將同一樓層的教室節(jié)能控制檢測(cè)控制單元1 n有機(jī)互聯(lián)起來(lái)，然后通過(guò)CAN總線將樓層控制單元1 n與教室資源綜合調(diào)配管理中央計(jì)算機(jī)單元進(jìn)行有機(jī)互聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部燈光等資源的高效合理動(dòng)態(tài)調(diào)配管理，其具體邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 教室資源節(jié)能自動(dòng)自智能化調(diào)配管理邏輯組成結(jié)構(gòu)

從圖1可知，教室檢測(cè)控制單元主要由PIC系統(tǒng)的PIC18F458單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室用電電氣設(shè)備運(yùn)行狀況、教室溫濕度、光照強(qiáng)度、以及學(xué)習(xí)交流學(xué)生人數(shù)等信息的動(dòng)態(tài)采集，并利用King View6.5在教學(xué)樓中央計(jì)算機(jī)單元上為教室管理人員提供一個(gè)全中文、數(shù)字化、圖形化、以及動(dòng)態(tài)化的教室資源統(tǒng)籌調(diào)配監(jiān)控界面，大大提高了系統(tǒng)的人性化服務(wù)水平。

3 教室燈光節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)

從圖1可知，教室檢測(cè)控制單元是整個(gè)教室節(jié)能控制智能化調(diào)節(jié)管理系統(tǒng)中重要的核心組成部分，一方面，其應(yīng)對(duì)教室內(nèi)部各種監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)運(yùn)算分析處理、存儲(chǔ)等功能；另外還要與樓層相關(guān)控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息通信共享。

3.1 硬件選型設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)選型

考慮到智能教室資源節(jié)能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)所要求的自動(dòng)智能化集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低以及操作維護(hù)方面等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選用美國(guó)Microchip公司自主研發(fā)的PIC系統(tǒng)單片機(jī)中的PIC18F458單片機(jī)。該單片機(jī)具有哈佛總線通信結(jié)構(gòu)、精簡(jiǎn)指令集(RISC)控制技術(shù)、運(yùn)算分析速率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合與工業(yè)控制、儀器儀表精確控制、家用電器智能控制等領(lǐng)域。

3.1.2 光照信號(hào)采集單元選型

從大量關(guān)于光電管、光禍合器、以及光敏電阻等光電探測(cè)器性能研究成果表明，光敏電阻所具有的光譜響應(yīng)峰值與人視覺(jué)敏感區(qū)的光波長(zhǎng)非常接近；而且當(dāng)外部光照強(qiáng)度發(fā)生減弱時(shí)，光敏電阻所具有的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，這于教室燈光控制系統(tǒng)在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，其輸出狀態(tài)保持功能需要加強(qiáng)較為匹配，因此，本次設(shè)計(jì)選用光敏電阻作為教室光照強(qiáng)度的主要采集和處理單元。教室光照強(qiáng)度信號(hào)采集硬件電路如圖2所示：

圖2 教室光照強(qiáng)度采集電路

圖2中，RO為光敏電阻，其電阻值會(huì)隨教室內(nèi)部光線的變亮變慢而下降和上升，從而確保教室控制器輸出的穩(wěn)定性；R為光照采集電路中的負(fù)載電阻；Vcc為采集電能的+5v電源；C為電路中得去藕電容。

3.1.3 紅外數(shù)據(jù)的采集與處理單元

以紅外傳感器為核心構(gòu)筑教室內(nèi)部學(xué)習(xí)人數(shù)信號(hào)采集與處理子系統(tǒng)，不僅具有成本低、電路結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；同時(shí)還可以將教室人數(shù)作為教室內(nèi)部照明系統(tǒng)燈具數(shù)量控制方案的重要數(shù)據(jù)依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)部資源的合理節(jié)能調(diào)配管理。紅外數(shù)據(jù)采集與處理單元的邏輯組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 軟件編程設(shè)計(jì)

由于教室節(jié)能控制系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)采集、信號(hào)傳輸以及智能化節(jié)能調(diào)節(jié)等功能為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其軟件編程是一個(gè)非常重要的部分。限于文章篇幅，文中不對(duì)所有部分進(jìn)行一一詳細(xì)闡述，只對(duì)光照強(qiáng)度采集電路和紅外數(shù)據(jù)采集處理電路的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.2.1 光照強(qiáng)度采集電路軟件設(shè)計(jì)

圖3 紅外數(shù)據(jù)采集與處理單元邏輯組成結(jié)構(gòu)

單片機(jī)光照信號(hào)光敏傳感器采集電路部分的軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)在于通過(guò)光敏傳感器對(duì)教室內(nèi)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和動(dòng)態(tài)分析處理，其具體軟件流程步驟如圖4所示。

3.2.2 紅外數(shù)據(jù)采集處理電路軟件設(shè)計(jì)

采用紅外傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量教室內(nèi)的實(shí)時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù)，從而獲得最優(yōu)的照明燈具控制方案，其具體軟件流程如圖5所示。

4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 光照強(qiáng)度采集電路軟件流程

圖5 紅外數(shù)據(jù)采集處理電路軟件流程

教學(xué)樓中央計(jì)算機(jī)單元作為整個(gè)教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控機(jī)，其正常運(yùn)行時(shí)教室內(nèi)部能源資源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息運(yùn)算分析、存儲(chǔ)等程序，均通過(guò)CAN總線與教室節(jié)能檢測(cè)終端控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)教室資源的動(dòng)態(tài)節(jié)能智能化調(diào)度管理。教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)的上位機(jī)可視化人機(jī)互通軟件設(shè)計(jì)界面如圖6所示：

圖6 教室資源節(jié)能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制可視化人機(jī)互通界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從教室能源節(jié)能高效調(diào)配管理目的出發(fā)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、先進(jìn)檢測(cè)與控制技術(shù)等,構(gòu)筑了基于PIC18F458單片機(jī)的教室資源動(dòng)態(tài)節(jié)能調(diào)配管理系統(tǒng)，從而大大提高了教室資源的能源利用效率，減少了電能資源的浪費(fèi)，達(dá)到高效教室資源節(jié)能降耗技術(shù)升級(jí)建設(shè)改造目的。

[1] 周燕, 覃如賢. 教室燈光智能控制系統(tǒng)[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 20(1): 35-38.

[2] 戴衛(wèi)平. 單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例經(jīng)典[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2006.

[3] 何耿明, 季振華. 紅外線遙控開(kāi)關(guān)技術(shù)在智能住宅中的應(yīng)用[J]. 建筑技術(shù)開(kāi)發(fā), 2006(4): 166-166.