學校教學樓的電能節能控制系統分析

張金華

摘 要：大多數學校教學樓在使用電能過程中會出現電能資源嚴重浪費現象，需要制定相關系統對其電能節能進行有效的控制。文章通過對教學樓電能節能系統的原理與組成進行講解，對系統的硬件與軟件設計進行分析，并對系統功能進行測試，以便對該系統進行了解，進而推廣應用。

關鍵詞：教學樓；電能節能控制系統；推廣

1 學校教學樓電能節能控制系統的原理與組成

學校教學樓電能節能控制系統主要是由教學樓主控中心單元、電井控制單元、教室節點單元與電能節能控制中心單元等幾個方面組成。其中教學樓主控中心單元主要安裝在每棟教學樓的配電房中，電井控制單元主要安裝在每棟教學樓的配電電井中，教室節點單元主要安裝在各個教室的供電入口處或者開關控制處，電能節能控制中心單元主要安裝在校園的配電管理中心。在使用手機或PC進行遠程操控的時候，需要借助GPRS或WiFi與電能節能控制中心連接與通信，借助通信模式可以與各個單元部分進行通信與連接。該系統的管理人員可以在PC或手機上安裝客戶端，對其進行輸入指令與數據，選擇通信方式對其進行控制與管理[1]。

2 電能節能控制系統硬件電路

2.1 教學樓主控制中心單元硬件設計

在該單元的硬件設計中，其主要是用于對教學樓的集中通電與斷電，可以借助時鐘與通信功能與微控制器連接，從而對教學樓的供電狀態進行控制。在進行通信的時候，需要借助有線與無線通信來實現，在無線通信中可以借助網絡技術對數據與指令進行傳輸。在有線通信中主要是借助芯片來完成[2]。

2.2 電井控制單元硬件設計

在電井控制單元中，主要是將主控制中心單元的控制信號轉換為實施的裝置，以便對教學樓的某個電井提供斷電與供電作用。該硬件主要是由微控制器、固態繼電器、通信與交流接觸器組成。在通信中，需要分為有線與無線兩種，其中有限與教學樓主控制中心單元進行通信，無線主要是跟節點單元進行通信[3]。另外，微控制器需要確保內部資源豐富，以便支持2.9～5.5 V的供電，具備較強的抗干擾能力，從而發揮出應有的效果。在固態繼電器中，需要確保雙向可控制硅的輸出，開啟零電壓，關斷零點六，隔離輸入與輸出回路，并將隔離耐壓控制在2 500 V左右。微控制器主要是借助通信功能接入教學樓主控制中心與節點單元的指令，并通過斷開控制交流接觸器與固態繼電器的控制對供電情況進行管理與控制[4]。

2.3 教室節點單元硬件設計

在對該硬件設備進行安裝與改造的時候，需要采用單火線供電技術對其設計，其組成部分包括單火線開關電源、接線端、線性穩壓、無線通信、微控制器、繼電器驅動、多路繼電器與檢測保護模塊等。其電壓為220 V，從輸入端接入到教師節點端，并分為兩組，一組作為取電處理，將其接入到單火線開關電源與線性穩壓中，并連接各個電路模塊對其通電處理。另外一組需要通過多路繼電器對室內用電設備通電處理[5]。在微控制器的選擇中需要確保質量過關且價格相對較低的型號，確保其資源豐富，并屬于目前流行的微處理器。在繼電器中，控制線圈工作電壓需要設置為12 V，帶負載能力設置為10 A。在開關電源中，需要確保輸入電壓的范圍寬廣，確保電路簡單，具備較小的空載電流，并且需要選擇功耗較低且輸出直流電壓穩定的型號[6]。在線性穩壓中，需要確保具有較高的輸入直流電壓（最高為40 V），并且可以將其轉為低輸出直流電壓（3.3 V），并且選擇的芯片需要具備超低靜態電流。在無線通信中，需要具備較好的通信功能，能夠快速獲取各個傳感器節點的數據，以便對其快速處理與控制。在觸摸開關電路中需要采用電容式觸摸開關，有效地延長使用時間，并降低功耗。在對開關電路進行檢測的時候，需要進行人數檢測與照度檢測，在教室多個位置安裝光照度傳感器，以便節約電能。照度檢測可以對傳感器獲取的數據進行控制，以便借助無線通信對其光照數據傳送到節點單元微控制器中，并根據相關數據對其進行控制。在對教室用電設備進行管理的時候，需要增加人數檢測，安裝ID識別功能，對教室的人數進行檢測，以便在人數離開教室后可以對用電設備進行控制，節約用電[7]。

2.4 電能節能控制中心單元硬件設計

在該硬件設計中，其主要設計目的是對教學樓的集中通電與斷電時間進行控制，主要是借助通信、時鐘、GSM等來完成。可以在該硬件設計中，添加日歷時鐘功能，以便將教學樓通電與斷電時間數據存在其中，用戶可以根據手機與PC在任意時間對教學樓的用電情況進行控制，設置完成后，電能節能系統控制中心可以單獨工作。

3 電能節能控制系統軟件

3.1 教學樓主控中心單元軟件設計

在該單元軟件設計的時候，需要設計顯示與鍵盤驅動程序，并將無線與有線通信程序、時鐘驅動程序等考慮在內，以便確保主控中心單元能夠正常運行。

3.2 電井控制單元軟件設計

在該單元軟件設計的時候，需要確保硬件電路保持通電工作狀態，以便對教學樓主控中心單元的指令進行實時接收，并需要對指令進行分析，從而對交流接觸器進行控制，以便確保是否對該區域進行供電處理[8]。

3.3 教室節點單元軟件設計

在該單元的軟件設計過程中，主要是采用C語言編寫對各個程序模塊進行組成，模塊包括光照度傳感器驅動程序、無線通信程序、檢測開關電路組網程序。ID讀卡驅動程序、控制繼電器程序與觸摸開關檢測程序等。需要對這些軟件進行優化設計，以便確保教室節點單元能夠發揮出最大作用。

3.4 電能節能控制中心單元軟件設計

在該單元軟件設計的時候，需要考慮到時鐘驅動程序、US-ART驅動程序、無線通信程序與GSM驅動程序的設計。其可以通過PC與USB進行連接，并且可以借助安裝的APP與GSM功能與手機連接，將每個教學樓的各個區域電井斷電與通電需求進行合理控制，并通過主控中心單元的控制數據與狀態和手機與PC端見連接，從而可以對教學樓的供電狀態進行掌握與控制，并可以為學生查詢自習室的開放情況提供條件。

4 電能節能系統功能測試

在學校教學樓電能節能控制系統設計完成之后，需要將其安裝在教學樓中。學校管理人員需要對學校的斷電與通電安排要求進行分析，以便可以將該系統與手機、PC連接，從而可以借助手機與PC端對教學樓的電能節能控制系統進行有效的管理與控制，合理安排教學樓的斷電與通電時間，并對自習室的開放情況進行設置，從而可以將各項參數進行統計，并將其輸入系統中，開啟系統，對其進行試運行處理。可以借助調光燈對自然光照情況進行模擬，以便確保教室節點單元中的光傳感器能夠獲取光照度，并對照明供電進行測試。其中光照強度在10～200 Lx的時候，允許供電處理，而光照強度在200～500 Lx的時候，則禁止供電。將電能節能控制系統應用在學校教學樓的用電設備中，可以取得較好的節能效果[9]。并且這種節能方法符合國家對新堿、擴建與改建建筑物一般照度標準值的規定。另外，在學校安裝該系統中，對其單個控制單元的功耗情況進行測試，其中一個教室節點單元空載功耗為0.8 mA，帶負載測試功耗為1.1 mA；而一個電井控制單元的空載測試功耗為7.6 mA，帶負載功耗為14.2 mA；一個教學樓主控中心單元的空載功耗為6.3 mA；一個電能節能控制中心單元的空載功耗為9.4 mA。在教學樓安裝該系統的時候，需要根據學校的實際情況來安裝。例如，安裝一個電能節能控制中心單元，5個主控中心單元，而每棟教學樓安裝20個節點單元，可以根據上述功耗情況進行計算，在安裝該系統之前與安裝該系統之后，其每天需要消耗的電能差異較大，可以為學校節省巨大的電能，從而可以降低學校的電費成本，以便實現節能效果，并且可以節省學校的日常開支。

5 結語

通過對學校教學樓用電設備使用的情況進行分析，為了有效節省學校電能，可以在學校教學樓安裝電能節能控制系統。在該系統中，通過借助通信技術、單火線技術與川農干起檢測技術等，可以實現該系統的遠程控制。通過對該系統的原理與組成進行分析，了解其硬件與軟件設計原理，并對其功能進行檢測與試運行處理，可以了解到該系統通過手機與PC端對學校教學樓的用電設備進行控制與管理，可以取得較好的節能效果。并且該系統安裝簡便、結構簡單且性能較好，符合低碳環保與節能、可持續發展要求，能夠為學校節省一部分人力、物理資源，該系統具有較好的市場應用前景。

[參考文獻]

[1]劉龍，李鐘慎.教學樓智能化節能控制系統設計[J].電子測量與儀器學報，2015（12）：187-188.

[2]李玉環，秦文華，周子力，等.基于物聯網技術的教學樓電器智能監控系統設計[J].計算機測量與控制，2016（2）：122-123.

[3]劉智旸，陳華麗.教室照明節能控制系統的智能化和可視化設計[J].智能計算機與應用，2014（2）：103-104.

[4]王東波.基于DMX512協議的照明控制系統設計[J].杭州電子科技大學學報，2013（18）：114-115.

[5]張志，李琮琮，王平欣，等.智能電能表RS485接口設計方案綜述[J].電測與儀表，2016（5）：124-125.

[6]陳征，劉開華.基于MSP430的多用便攜式測量儀的設計[J].電子測量技術，2012（5）：136-139.

[7]公茂法，劉建平，徐新源，等.基于串口屏的井下多回路電網監測儀的設計[J].煤礦機械，2013（11）：262-264.

[8]于新業，易藝，郝建衛.教學樓電能節能控制系統的設計[J].電子技術應用，2017（6）：178-179.

[9]唐敏，夏啟壽.基于物聯網高校智慧教學樓節電管理系統設計[J].池州學院學報，2015（5）：130-132.