基于PLC多功能智慧教室

陳思敏 劉凱 徐月華 鄭偉佳 黃少彬 林一帆

Multifunctional Smart Classroom Based on PLC

摘要： 針對考勤效率低，教室能源浪費等問題，本文提出一種基于PLC多功能智慧教室控制系統。該系統能實現教室照明的智能控制，智能考勤和智能控制多媒體設施，在不同的情況下可開啟特定的模式，以滿足不同亮度環境的需求，達到節能、人性化目的。

Abstract： In view of the problems of low attendance efficiency and energy waste in classrooms， this paper presents a multi-functional smart classroom control system based on PLC. The system can realize intelligent control of classroom lighting， intelligent attendance and intelligent control of multimedia facilities. Under different circumstances， specific modes can be turned on to meet the needs of different brightness environments and achieve energy-saving and user-friendly goals.

關鍵詞： 智慧課室； PLC；傳感器

Key words： smart classroom；PLC；sensor

中圖分類號：TP212.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0115-03

0 引言

隨著教育事業的發展，學校教室的智能化需要越來越高。而大部分高校的教室的智能化還是以使用多媒體為中心，人工操作為主，智能化遠遠不夠，而教室的照明用電的管理，基本處于一種粗放式的管理狀態。高校教室都普遍存在一種狀況，當不多的學生在教室自習時，所有的燈都開著，造成大量的電能浪費；而教務處老師巡課還是按照傳統的人工點人數的模式為主，工作量大還耗時；當開啟多媒體時，基本還是需要人工操作投影儀的開啟和投影幕投下、人工關閉講臺照明和窗簾。

基于上述問題本文提出基于PLC多功能智慧教室控制系統，通過紅外對射傳感器模塊來檢測室內人數決定開啟照明設備的數量并將人數顯示在數碼管顯示模塊；且通過設置一鍵開啟多媒體設備，省去了傳統的手動開啟投影儀和投影幕的操作，并通過控制講臺照明燈光和窗簾達到最佳的視覺效果；晚上紅外對射傳感器模塊作為檢測模塊，在布防情況下非法入侵者闖進教室時，系統會輸出報警信號，整體上從以上幾方面實現了智能教室的效果。

1 系統功能介紹

該系統以教室為研究載體，教室平面圖如圖1。

如圖1所示，教室分為座位區域、講臺區域和門窗。黑色區域為學生座位，白色區域為照明設備，灰色區域為講臺。該系統主要在出入口、窗戶和每個照明區域安裝傳感器，PLC作為系統的控制單元，負責控制照明、窗簾、多媒體設施和輸出室內人數。教室在規定時段作為上課課室、自修室和安全防范課室。

當教室開啟電腦時，啟動投影儀，下降投影幕布，自動合閉窗簾和關閉講臺上方的照明設備，使投影儀顯示效果更佳。

夜晚時，由安裝在出入口的紅對外管探測是否有人進出教室，PLC接收紅外對射傳感器的狀態信息，由PLC實現室內人員計數，PLC根據統計的結果智能開啟所需的區域照明，提高照明設備的利用率，大大減少電能浪費。

在進入安全系統布防時，由紅外對射傳感器檢測是否有人員進入，進行聲光報警的安全防范設置。

此外，系統把PLC的人數統計結果輸出至數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）上，方便老師登記上課人數，也方便學生晚自習時選擇教室。

2 系統總體設計

2.1 系統原理框圖

系統主要由紅外對射傳感器模塊、多媒體電腦開啟信號、PLC控制器及I/O拓展模塊、照明設備模塊、聲光報警器、數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）和電動窗簾7個模塊組成。通過門前、門后兩對紅外對射傳感器的感應數據，將探測數據傳送給PLC，PLC統計數據并控制照明設備開啟多少個區域的照明。當多媒體有開啟信號輸入時，PLC對照明燈光和窗簾進行控制，使教室達到最佳的視覺效果；而當進入安防階段時，PLC對紅外對射傳感器的感應數據進行檢測，從而做出對聲光報警器的輸出控制，系統框圖如圖2所示。

2.2 系統硬件組成

①PLC控制器及I/O拓展模塊：該模塊為系統控制核心，可通過PC/PPI電纜與電腦通信，實現編程和調試。門內外兩側紅外對射傳感器、多媒體開關分別與I/O拓展程序的輸入端相接，控制教室區域照明、窗簾電動機、投影設備、人數顯示屏、聲光報警器。

②雙并列紅外對射傳感器模塊：兩個紅外對射傳感器分別置于門內和門外，判別人是進去還是出來；先通過門內探測器再通過門外探測器就判定為出去，相反則判定為進來。[1]

③電動窗簾：電機驅動主要實現對窗簾電機正轉和反轉的驅動。由于PLC供電電壓為24V，可通過繼電器控制交流接觸器，然后再控制電機的正反轉。當多媒體開啟時，電機正轉，窗簾拉合；當檢測到多媒體關閉時，電機反轉，窗簾拉開。通過PLC設置電機運行時間，時間到了電機停止轉動。

④投影設備：包括投影儀開關和投影幕布電動機正反轉。

⑤數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）：計數部分由PLC實現，主要是對進出人員的數目做加法或減法處理，統計的同時把分析的結果輸出給數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）。當某位顯示內容欲發生變化時，進行更新顯示模塊，人數增加時，則可以通過數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）顯示上一個有效P參數（即P參數對應的寄存器D）對應的PLC寄存器的值，當人數減少時，則可以通過顯示下一個有效P參數（即P參數對應的寄存器D）對應的PLC寄存器的值，進行人數的加減情況顯示。

⑥聲光報警器：主要實現在特定時間段由雙并列紅外對射傳感器模塊判斷是否有人進入課室，由于PLC供電電壓為24V，可通過繼電器控制交流接觸器，當有人在布防時間段進入課室時，聲光報警器被觸發，進行聲光報警。

3 系統軟件設計

系統由主程序和兩個子程序構成，當系統上電時，首先對系統進行初始化，然后運行時間判斷程序，若在06：00至18：00時間段內，則進入白天模式子程序；否則，則進入夜晚模式子程序。

其中，白天模式子程序流程圖如圖3。

在白天模式子程序中：一方面通過紅外對射傳感器和PLC統計教室的人數，當門外側傳感器有信號輸入接著門內側也有信號輸入，則判斷為有人進入，PLC計數程序計數加1；當門內側有信號輸入接著門外側也有信號輸入，則判斷為有人出去，PLC計數程序計數減1，從而統計出教室內的總人數，將數據輸出在數碼管顯示模塊（簡易文本CF160）上顯示。當檢測多媒體電腦開啟時，自動啟動投影設備，合閉窗簾和關閉的照明設備，使投影儀顯示效果更佳。

夜晚模式子程序流程圖如圖4。

在夜晚模式子程序：首先運行時間判斷程序，若在18：00-23：00時間段內，則通過紅外對射傳感器和PLC統計教室的人數，智能開啟所需照明范圍的照明設備。當教室內有人且人數小于10，區域1照明設備開啟，當人數大于10，區域1和2照明設備都開啟。當人數大于20，區域1、2、3照明設備開啟。若在23：00至次日06：00時間段內，則強制關閉照明設備，進行安全防范布防，進行對教室內限制人員的進入。

4 結語

該系統采用模塊化結構設計，以PLC為核心，由紅外對射傳感器、對應的控制設備和顯示設備組成。該系統能實現智能控制照明、窗簾、多媒體、安防和考勤，做到節約能源、提高考勤效率和改善多媒體使用者舒適性。該系統能廣泛應用各所學校內，為師生提供一個環保、便利、舒適的學習和工作環境。整體體現了創新節能的理念，不過當學生進入教室的間隔時間非常短或緊挨著的情形下，系統有可能漏記錄情況出現，日后系統可沿這個方向進一步改進和完善。

參考文獻：

[1]郝江城，杜志強，劉國華.室內LED智能照明節能系統的設計[J].武漢工程大學學報，2012，34（2）.

[2].桂要生，向橋，楊康.基于紅外技術的智能照明控制系統設計[J].計算機與數字工程，2009，37（8）.

[3]祁松明，鄭濤.面向動靜態人體的被動式熱釋電紅外探測器[J].中國住宅設施，2014（5）.

[4]諶容，胡澤，張扯拉，等.基于單片機控制的智能光控窗簾系統研究[J].電子世界，2013（9）：21-22.