智能化大班臺的溫度自動控制系統

路則光，王 萌，賈萬達，王鳳杰，侯加林*

(1.山東農業大學林學院;2.山東農業大學水利土木工程學院;3.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018)

在未來的辦公環境中，智能化家具將提供更加便利的工作環境［1－2］。“智能化辦公家具”是未來的一種發展趨勢，雖然當前尚處于起步階段，但是它將會有廣闊的發展空間［3］。作為高端辦公家具的智能化大班臺應能對辦公環境質量進行智能化控制，根據人員需要自動調節室內環境，形成舒適健康的辦公環境，提高人員的工作效率和心理滿意度［4－6］。Zheng 等人指出無線網絡(WSN)能感應各種環境空間中的信號，檢測各種目標對象和各種條件，收集相關信息［7］。Lun－Wu Yeh 等人認為可利用無線傳感器在線檢測建筑內各個房間內電器的使用狀況，根據需要打開或關閉電源，達到節約能源的目的［8］。德國的Linner，T.等人提出可以采用智能技術對室內環境及其設備進行控制等［9］。在前期研究辦公環境參數監測系統的基礎上，本文主要探討智能化大班臺的溫度自動控制系統，分析其硬件和軟件，借助空調實現對室內溫度的自動調節。

1 辦公環境溫度要求

智能辦公環境的目標是提高室內人員的工作效率，營造較高的舒適度，為未來的技術維護和升級提供發展空間［10］。就室內環境(熱、光、聲、空氣品質)而言，熱環境的質量對人員工作效率的影響較大［11－12］。并且，與人員舒適度相關的因素主要有溫度、濕度、風速、人體新陳代謝量、衣著、平均輻射溫度等，這些因素之間相互作用，共同影響著室內人員對辦公環境的冷熱感覺。因此，室內熱環境與人員的工作效率和舒適度有著密切的關系，智能辦公環境要達到預期的目標，改善室內熱環境質量是根本而有效的途徑之一。

溫度直接影響人體通過對流、輻射及蒸發三種形式的散熱量，使人體產生維持熱量平衡的各種生理反應，進而影響人體的熱舒適度和工作效率。人處于突變環境空氣溫度下，熱感覺會隨著空氣溫度的變化立即發生變化［13］。在人體達到正常熱平衡時的熱感覺就是熱舒適［14、15］，冬季的熱舒適溫度在19～21℃之間，夏季則在21～23℃之間［16－18］。我國《采暖通風與空氣調節設計規范(GB50019－2003)》［19］規定舒適性空調室內溫度冬季應為18～24℃，夏季應為22～28℃。

就溫度對工作效率的影響而言，過高或過低的環境溫度都不利于工作效率的提高。Sundstrom 發現在暖環境下長期工作，人員腦力任務(尤其是那些需要協調視覺和手動操作的任務)的錯誤率上升［20］。Pepler和Warner 認為溫度與任務反應時間之間存在倒U 型曲線關系，在26.7℃下用時最長，但錯誤率也最低［21］。Wyon 發現溫度對工作績效的影響與任務性質有很大關系:對腦力任務，當中性溫度為21℃時，工作速率在27℃時下降30%，當溫度高于27℃后，下降幅度保持為70%;對打字任務，當溫度高于中性溫度4℃后，績效就下降了70%，隨后隨溫度的上升下降幅度保持不變［22］。M kinen 等認為冷環境對人體生理反應和熱感覺有負面作用，并使簡單反應時任務的速度和績效下降［23］。Parsons KC 發現簡單認知任務比較容易受冷環境的影響，低溫環境使關節變僵硬，肌肉活性下降，手的靈活性下降，從而對手工靈活性有要求的任務在適度冷環境下績效會有所下降［24］。當溫度在20～22℃左右時，人手的靈活性就開始下降［25］。

2 硬件

按功能分，溫度自動控制系統的硬件包括信息接收及處理裝置、信號發射裝置和執行裝置三部分，如圖1 所示。

圖1 硬件關系圖Fig.1 Relationship chart of hardware

根據由室內溫度傳感器監測的溫度信息，無線傳輸到計算機。依據計算機內的單片機程序對溫度信息進行邏輯判斷，指揮信號發射裝置發出升溫或降溫指令，繼電器控制電路工作，自動調節遙控器的溫度開關，空調開始啟動調節室內溫度。

2.1 信息接收及處理裝置

信息接收及處理裝置包括計算機和單片機。其中，作為核心部件的單片機是控制器，外接一個無線RS－232 通信接口與計算機進行通信，用于溫度信息的接收、分析和處理。

2.1.1 溫度傳感器 根據辦公室的特點，溫度傳感器應具有穩定性好，靈敏，響應迅速，準確度高的性能。本研究選用DS18B20 數字化溫度傳感器測量溫度，主要基于以下三點:一是采用單線接口，與單片機連接方便，編程也較為簡單;二是測量溫度范圍為－55℃～+125℃，在－10℃～+85℃范圍內，精度為0.5℃，完全可以滿足監測辦公室內溫度的需要;三是反應靈敏，能夠及時監測到溫度的變化。此外，價格低廉，在大規模應用的場合可顯著降低成本。圖2為溫度傳感器DS18B20，其內部有三個主要數字部件:64 位激光ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發器TH和TL。

圖2 溫度傳感器DS18B20Fig.2 Temperature sensor DS18B20

2.2.2 單片機 單片機是室內溫度自動控制系統的核心，負責把各個傳感器采集的信息讀取出來并發送給計算機。本項目選擇MCU－51 單片機，如圖3 所示。它是一款基礎入門的單片機，價格低廉、性能穩定，而且功耗低，可以用電池供電，更增加了采集點放置的靈活性。

圖3 MCU－51 單片機Fig.3 MCU－51 MCU

2.2 信號發射裝置

信號發射裝置由繼電器控制電路和遙控器電路板組成，繼電器控制電路與遙控器電路板溫度鍵下的金屬導線相連，由繼電器電路控制遙控器溫度鍵的開關，從而使空調升溫或降溫。其中，繼電器控制電路是核心，其工作原理如圖4 所示。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Control circuit of electric relay

當單片機管腳輸出為高電平時，三極管截止，繼電器兩端不通電，繼電器開關斷開，兩根導線不導通，相當于遙控器溫度鍵未被按下，不向空調發射信號;當單片機管腳輸出為低電平時，三極管導通，繼電器兩端通電，繼電器開關閉合，兩根導線導通，相當于遙控器溫度鍵被按下，向空調發射信號。

2.3 執行裝置

執行裝置是空調，可以根據遙控器溫度鍵下的導線接通與否，調節室內的溫度參數，以取得理想的溫度舒適度。這是溫度自動控制的主要目的。

3 軟件

軟件是溫度自動控制系統的神經中樞，作用是對接收的溫度信息進行分析和處理，其流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Work process of software

當溫度值高于設定的溫度上限時，與遙控器電路板降低溫度按鍵相對應的單片機管腳輸出低電平，向空調發射降低溫度的信號;當溫度值低于設定的溫度下限時，與遙控器電路板升高溫度按鍵相對應的單片機管腳輸出低電平，向空調發射升高溫度的信號;當溫度值介于設定的溫度上限和溫度下限之間時，與遙控器電路板降低溫度按鍵和升高溫度按鍵相對應的單片機管腳都輸出高電平，不向空調發射信號。

4 結語

本文研究了智能化大班臺的溫度自動控制系統的硬件和軟件，借助繼電器的接通與否可以控制空調開關，自動調節室內溫度，以獲得舒適的辦公環境。系統的開發與應用，會提高智能化辦公空間的環境質量，將提升智能化大班臺的科技含量。同時，溫度自動控制系統也可用于民用住宅中，根據環境溫度的改變自動調節溫度，使人們獲得良好的舒適感，從而提升生活質量。因此，溫度自動控制系統具有較高的使用價值和推廣價值。

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