基于校園一卡通的開放實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)研究

余善恩, 李 真, 陳張平, 孫偉華

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

基于校園一卡通的開放實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)研究

余善恩, 李 真, 陳張平, 孫偉華

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

針對(duì)當(dāng)前校園中普遍存在的開放實(shí)驗(yàn)室無(wú)人但燈無(wú)法及時(shí)關(guān)閉的問題,提出了基于校園一卡通的實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)這一方案。該方案基于技術(shù)成熟并已廣泛應(yīng)用的校園一卡通系統(tǒng),結(jié)合了包括以太網(wǎng)、2.4G RF無(wú)線通信等技術(shù),同時(shí)開發(fā)了上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過檢測(cè)有無(wú)一卡通,進(jìn)而控制實(shí)驗(yàn)室總電源的通斷,有效地解決了無(wú)人亮燈問題,同時(shí)具有使用簡(jiǎn)單、改造成本低等特點(diǎn)。

校園一卡通； 開放實(shí)驗(yàn)室； 實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)很多高校存在著白天采光良好,但實(shí)驗(yàn)室里卻燈光通明的現(xiàn)象,也存在著實(shí)驗(yàn)室人走后忘記關(guān)燈的現(xiàn)象。這些空亮著的燈一直等到校園值班人員來(lái)關(guān)門的時(shí)候才被關(guān)掉,極大地浪費(fèi)了電能。

燈光控制不是一個(gè)新的課題,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外都有類似的研究,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)檢索及實(shí)際調(diào)查總結(jié)得出,目前實(shí)驗(yàn)室燈光控制系統(tǒng)主要分為以下幾類:通過檢測(cè)室內(nèi)外的光強(qiáng)來(lái)確定是否要開燈[1]；設(shè)計(jì)燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)通過檢測(cè)進(jìn)出教室的人數(shù)來(lái)確定教室里是否有人,進(jìn)而控制燈的開關(guān)[2]；結(jié)合熱釋電傳感器及光敏傳感器,對(duì)教室進(jìn)行分區(qū)控制,此類方法系統(tǒng)成本及布線難度較大[3]；通過攝像頭采集數(shù)據(jù),再進(jìn)行分析處理來(lái)識(shí)別有無(wú)人員活動(dòng),此種方案在識(shí)別準(zhǔn)確性及亮度適應(yīng)性上有一定的缺陷[4-5]；對(duì)教室亮燈區(qū)域進(jìn)行細(xì)分,單個(gè)照明燈獨(dú)立控制,此方案控制復(fù)雜,操作不便[6-7]；還有一種是基于電力載波通信的控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,但通信范圍有限[8]。綜上所述,目前的教室燈光控制系統(tǒng),都存在著自動(dòng)控制及手動(dòng)控制切換時(shí)操作復(fù)雜,或其方案本身在某種程度上都不能很好地解決“亮燈浪費(fèi)”問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,各類高校基本上都配備了校園一卡通系統(tǒng)。校園一卡通系統(tǒng)大大方便了學(xué)校對(duì)師生、教職工的工作、學(xué)習(xí)、生活等各方面的管理。基于此平臺(tái),也可以比較方便地?cái)U(kuò)展實(shí)現(xiàn)其他功能,比如安防、監(jiān)控、節(jié)能等。結(jié)合校園一卡通系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室燈光控制,設(shè)計(jì)了一個(gè)智能的實(shí)驗(yàn)室節(jié)能系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室的燈光控制電源受控于有無(wú)一卡通,實(shí)現(xiàn)了人在卡在電通,人不在卡不在則電斷的功能。通過這樣一種手段,可以有效解決目前存在的“亮燈浪費(fèi)”問題,減少電能浪費(fèi),提高對(duì)節(jié)約用電的認(rèn)識(shí),降低學(xué)校的能源消耗。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由信息中心、分基站、分控節(jié)點(diǎn)組成。信息中心負(fù)責(zé)管理在校學(xué)生及教職工的一卡通信息,并可通過網(wǎng)絡(luò)更新到各分基站,分基站負(fù)責(zé)將來(lái)自信息中心的信息更新到其所轄的各實(shí)驗(yàn)室分控節(jié)點(diǎn),各分控節(jié)點(diǎn)根據(jù)其是否檢測(cè)到有效一卡通及預(yù)設(shè)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室燈光總閘的開合。

校園信息中心與分基站間的信息交互方式如圖1所示。信息中心負(fù)責(zé)校園一卡通信息的管理,同時(shí),可以將其管理的一卡通信息通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式更新到各分基站(教學(xué)樓基站)。信息中心與分基站采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式主要考慮到各教學(xué)樓分布相對(duì)分散,距離也較遠(yuǎn),但各樓基本上都與信息中心直接有網(wǎng)絡(luò)通信接口,采用網(wǎng)絡(luò)通信方式可以保證傳輸?shù)目煽啃?也可以充分利用原有的通信接口資源。

圖1 信息中心與分基站的信息交互

教學(xué)樓基站與各實(shí)驗(yàn)室分控節(jié)點(diǎn)之間的信息交互方式如圖2所示。分基站通過無(wú)線通信方式將來(lái)自信息中心的一卡通信息更新到各分控節(jié)點(diǎn)。采用無(wú)線通信方式主要考慮到在同一教學(xué)樓內(nèi)距離有限,無(wú)線通信方式可以保證數(shù)據(jù)的有效傳輸,且布置靈活,可以最大限度地減少各實(shí)驗(yàn)室的線路改造工作,降低成本。

圖2 分基站與分控節(jié)點(diǎn)的信息交互

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 分基站設(shè)計(jì)

分基站的結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由電源模塊、微控制器、無(wú)線模塊構(gòu)成。選用的微控制器自帶了網(wǎng)絡(luò)模塊,可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信與信息中心進(jìn)行信息傳輸；無(wú)線模塊則用于與分控節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)。

圖3 分基站結(jié)構(gòu)圖

微控制器選用了TI公司的基于ARM CORTEX-M3內(nèi)核的LM3S8962。LM3S8962的以太網(wǎng)控制器遵循IEEE802.3規(guī)范,完全支持10BASE-T和100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn),含有100BASE-TX擾碼器和解擾器,支持全功能的自協(xié)商協(xié)議,可工作在多種模式下,而且可編程MAC地址,用戶可配置中斷,因此采用LM3S8962作為以太網(wǎng)微控制器的開發(fā)是一個(gè)性價(jià)比很高的選擇。

由于信息中心與各分基站間的數(shù)據(jù)通信量不大,且屬于校內(nèi)網(wǎng)絡(luò),通信穩(wěn)定可靠,所以采用了UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,通信效率高,滿足系統(tǒng)要求。

無(wú)線模塊采用CC1101實(shí)現(xiàn),集成了一個(gè)軟件可編程的調(diào)制解調(diào)器,支持2-FSK、GFSK和MSK調(diào)制格式,數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500Kbps。同時(shí),具有高效能的功率輸出,能量集中、信號(hào)傳輸遠(yuǎn),提高了鄰道功率(ACP)的性能,改善了近距離信號(hào)堵塞現(xiàn)象。系統(tǒng)依靠433MHz,具有穿透性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),完全可以滿足教學(xué)樓內(nèi)基站與各分控節(jié)點(diǎn)間的通信要求。

2.2 分控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

分控節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由讀卡模塊、電源模塊、微控制器、語(yǔ)音模塊、電源開關(guān)、無(wú)線模塊、傳感模塊等構(gòu)成。讀卡模塊可以讀取置于其上的一卡通信息；傳感模塊可以檢測(cè)環(huán)境亮度,結(jié)合時(shí)鐘模塊可以解決“白天亮燈”問題；語(yǔ)音模塊用于當(dāng)一卡通被取走后可以語(yǔ)音提醒其他人進(jìn)行續(xù)卡操作；電源開關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的燈光電源的開合；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)一卡通信息,保證了在通信異常的情況下單機(jī)仍可正常控制燈的開關(guān)；無(wú)線模塊則實(shí)現(xiàn)與分基站間的數(shù)據(jù)交互。

圖4 分控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)中微控制器選用STC12C5A系列單片機(jī),該系列單片機(jī)為增強(qiáng)型51系列單片機(jī),價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大,支持串口通信,下載調(diào)試方便。在實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能的同時(shí),達(dá)到了最佳的性價(jià)比[9]。

語(yǔ)音模塊采用WT588D語(yǔ)音芯片,是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除的語(yǔ)音單片機(jī)芯片,支持在線下載及串口通信。同時(shí)支持PWM和DAC輸出方式,PWM輸出可直接推動(dòng)0.5W/8Ω的揚(yáng)聲器,DAC輸出外接功放,音質(zhì)好。本系統(tǒng)中采用了串口控制,PWM輸出方式[10]。

讀卡模塊使用CY-14443A讀寫模塊。CY-14443A系列射頻讀寫模塊采用基于ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式讀卡機(jī)專用芯片。內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路,只需少量外圍電路即可工作,支持UART接口,適用于ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)下身份識(shí)別系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。本系統(tǒng)中,應(yīng)用UART接口,實(shí)現(xiàn)了對(duì)一卡通信息的識(shí)別。 存儲(chǔ)模塊采用了電存儲(chǔ)器FM25VN10,具有讀寫速度快,數(shù)據(jù)掉電保護(hù)等功能[11],符合功能需求；傳感模塊包括亮度檢測(cè)、人體檢測(cè)等,用于配合節(jié)能控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

信息中心的一卡通信息由原一卡通系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)；本系統(tǒng)中在Visual Studio環(huán)境下開發(fā)了一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用程序[12],當(dāng)有卡信息更新時(shí)(如新生入學(xué)、老生離校等),讀取更新過的信息。通過Internet將信息更新到各教學(xué)樓的分基站,分基站再將信息通過RF通信方式更新到各教室的分控節(jié)點(diǎn)。信息中心軟件主要涉及到數(shù)據(jù)庫(kù)訪問、winSo ket編程等技術(shù)[13]。

分控節(jié)點(diǎn)安裝于各教室,其通過檢測(cè)是否有有效一卡通插入,結(jié)合預(yù)設(shè)的控制方案決定實(shí)驗(yàn)室燈光電源總開關(guān)的分、合。分控節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

當(dāng)持卡者在允許時(shí)間段內(nèi)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí),將一卡通插入實(shí)驗(yàn)室的讀卡機(jī)中時(shí),分控節(jié)點(diǎn)讀取一卡通信息,判斷是否有效；若有效則打開實(shí)驗(yàn)室電源總開關(guān),否則不做處理。而當(dāng)卡拿掉后則產(chǎn)生語(yǔ)音提示,提醒其他人進(jìn)行續(xù)卡操作；若無(wú)人續(xù)卡則實(shí)驗(yàn)室電源在延時(shí)幾分鐘后自動(dòng)關(guān)閉。分控節(jié)點(diǎn)同時(shí)可以根據(jù)總控制中心的設(shè)置,可限定亮燈的時(shí)間段或亮燈條件,比如在深夜和一些特殊時(shí)間段不允許亮燈,在白天采光良好的情況下自動(dòng)斷電等[14]。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)未采用主要依靠人體檢測(cè)、亮度檢測(cè)的傳統(tǒng)方案為主要研究思路,而只是把它們當(dāng)作一個(gè)輔助手段,解決了識(shí)別不準(zhǔn)確、控制閃爍等問題；同時(shí),依托于以太網(wǎng)及無(wú)線通信技術(shù),最大限度地減少了系統(tǒng)的安裝維護(hù)成本。該系統(tǒng)已在校內(nèi)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室試用,效果良好,其不僅能應(yīng)用于學(xué)校,同時(shí)也能應(yīng)用于企事業(yè)單位及工廠,在節(jié)能減排方面有較高的推廣價(jià)值。

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Research on energy-saving system for open laboratory based on campus card

Yu Shanen, Li Zhen, Chen Zhangping, Sun Weihua

(College of Automation,Hangzhou University of Electronic Science and Technology,Hangzhou 310018,China)

Regarding the common problem on university campus that the lights in open laboratories can’t be switched off timely without anyone in, the scheme for the laboratory energy-saving system based on the campus card is proposed. This scheme is dependent on the technologically-matured and widely-used campus card system and combines the wireless communication technology of Ethernet and 2.4G RF. At the same time, the upper computer software for the database management is developed, and a whole laboratory energy-saving system is completed. Through the detection of presence of the campus card, this system can control the on-off switch of the total power supply in the laboratories so as to effectively solve the problem of wasted lighting. Meanwhile, this system has the characteristics of the simple use, low cost, etc.

campus card； open laboratory； laboratory energy-saving system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.066

2016-06-15 修改日期：2016-07-25

2012年度浙江省教育技術(shù)研究規(guī)劃課題(JB040)；杭州電子科技大學(xué)2015年高等教育研究項(xiàng)目(SYZX201506)

余善恩(1982—),男,浙江天臺(tái), 碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)室管理與實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：lz865048840@163.com

TP399

: B

: 1002-4956(2016)12-0263-03