基于無線網絡教室節能管理平臺

陽韜 陽平華

摘要：我國高校數量眾多，高校每年耗電量非常大，其中高校耗能中教學樓用電占了很大比例，在教學樓中存在很多浪費電能的現象。通過研究高校用電的特點，結合用電的實際情況，利用數據庫技術、物聯網技術、無線通信技術等，設計一套智慧節能教室管理平臺，該平臺以教務系統排課數據為依據，利用智能化的控制方法，對各教室的用電設備集中控制管理，達到智能化人性化的管理，以更高效的利用電能。

關鍵詞：智慧節能;教室管理;無線網絡;物聯網;高校信息化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0051-03

節約能源問題是社會越來越重視的問題，在用電高峰期會出現一些地方供不應求而斷電的現象。大城市的一些社會服務部門，機關部門，工廠等的斷電會造成巨大的損失，節約用電能夠在一定程度上減輕社會的用電負荷，降低斷電等情況的發生。

據教育部的數據顯示，全國高校共計2956所，高校的用電設備多，每年耗電數量巨大。大部分的高校都存在電能浪費的現象，主要集中在教學樓、圖書館等場合，因為高校的管理相對比較寬松，教室無人燈常亮，空調工作的現象經常出現，浪費了大量的電力資源。

近年來備受關注的高校用電監管尤為重要。這項研究主要是以華南理工大學廣州學院節能監管平臺建設為基礎，基于學校用電現狀設計節能實時監測和控制的平臺，實現節能監管平臺信息專用傳輸，通過節能監管平臺得到的數據分析挖掘校園建筑的節能潛力，為高校校園的節能改造工程提供有力的技術支持和豐富的數據依據。

智慧節能教室管理平臺主要是體現智能自動控制，學校加入該系統的設備都能夠實現統一管理，根據學校的課表排課數據，臨時調課數據，以及教學樓管理員的超級賬戶權限，可以實時的管理，以達到節約電能，保證電能高效利用。

目前由很多教室用電設備的管理系統，對設備要求較高，教室的用電設備控制需要通過布線的方式來實現。教室的大部分用電設備只能實現開關狀態的控制，不能對用電器的狀態實時的遠程查看。很多高校要實現用電設備集中式的管理，都采取有線的控制方式，對控制設備需要布線，很難集中式的管理，尤其是對于一些比較老的教學樓，需要重現布線，線路改造非常復雜，工作量很大。另外有線的控制方式會增加系統的成本，浪費資源。有線的方式會存在線路問題，在大量的設備和線路中如果部分設備出現問題，很難查找問題。

因此研究一套通用的基于無線網絡的智慧節能管理平臺具有非常重要的意義，可以應用于絕大部分教學樓，對教室原有線路做細小的改動，省去布線的麻煩，就能遠程集中監控和管理用電設備。

1系統整體框架

基于無線網絡的教室節能管理平臺，利用無線網絡傳輸控制信號，對教室中的用電設備控制管理，該管理平臺從后勤管理中心到教室里的用電設備，實現一種基于無線網絡和學校有線局域網相結合的大型教室節能管理系統。

管理平臺包括后勤管理中心，教學樓控制臺，樓層控制節點，教室中繼結點，教室內用電器節點等，管理采用分布式控制模式。教務系統、后勤管理中心、教學樓控制臺以及各層樓的控制節點之間采用的學校的有線局域網傳輸信號，各層樓的控制節點與教室內部控制節點之間通過無線zigbee網絡傳輸信號，整體控制框架如下圖1所示：

2系統結構設計

節能管理平臺基于節能的需要，在設計上要體現節能控制的功能，系統在整體硬件設施的基礎上，軟件完成控制功能，根據預先設的控制方法對教室中的用電設備完成自動控制，系統選用的低功耗的zigbee網絡傳輸控制信號，實現對教室用電設備的控制。在實際運行的過程會有多種情況，比如某些教室需要臨時開會或者臨時調課的情況，因此每個教室的設備應該有多種控制模式，本系統設置三種控制模式：

（1）自動控制模式：系統運行后的默認模式，后勤管理中心根據教務系統的排課數據，對各個教室中的用電設備統一管理。當該教室有課將提前開啟教室的燈和多媒體講臺，在夏季根據設置溫度等情況開啟教室的空調，在下課如果教室下一節沒有課，會在下一節課時間關閉教室中的用電設備。后勤管理中心可以實時的調整每個教室的用電設備的狀態。

（2）獨立控制模式：在自動控制模式下，每個教師通過后勤系統錄入數據后，可以驗證指紋后將所在教室設置為獨立控制模式，教師有權限對教室中的用電設備控制，通過每個教室內的人機觸摸屏和開關控制。

（3）智能控制模式：在自動控制模式開啟的前提下，可以切換到智能控制模式，在系統預設值參數的情況下，可以根據設置的參數如溫濕度、光照強度等決定是否開啟教室中的日光燈或者空調等設備。

2.1后勤管理中心

后勤管理中心的機房服務器運行了整個學校用電系統的管理軟件，可以遠程實時地對每個用電單位（主要是教室）的每臺用電設備（電燈、空調、多媒體設備）進行控制，可以實時獲取每個設備的工作狀態和工作環境的狀態，在后勤管理中心可視化顯示。后勤管理中心主要是由管理主機，大型電子顯示屏組成，運行了數據庫和管理軟件。

后勤管理中心和教務系統數據對接，能夠實時的獲取所有教室排課情況，能夠根據各個教室的上課安排，發出控制指令，對各個教室的設備進行控制。

后勤管理中心軟件功能結構如圖2所示，包括數據生成、教室管理、環境監控、數據統計、通信模塊、設備控制以及人機交互等模塊。

數據生成：采集教務系統的排課數據，外部導人控制數據，或者臨時調整數據，生成教室的控制數據。

教室管理：管理學校的各個小區，每個教學樓以及教室。

環境監控：主要是教室內部的傳感器監測室內光照強度和溫濕度，這個數據傳輸到管理中心，作為控制每個教室電燈和空調開啟的依據。

數據統計：統計每個教室，每棟教學樓的耗電情況，會生成日周月年耗電表，管理者可以在管理中心查看。

通信模塊：完成與教務系統通信，與各教學樓控制臺的通信。

設備控制：控制每個教室節點的狀態，有智能控制模式和課表優先控制模式。

人機交互：在后勤管理中心用大屏幕顯示，整個系統的狀態，包括各個教學樓的運行狀態，各個教學樓的每個教室的狀態，還有子菜單顯示教室中每個設備的狀態，可以通過在操作臺進入各個子菜單查看數據和顯示狀態。

2.2教學樓控制部分

教學樓控制臺主要是臺式電腦組成，與后勤管理中心通過有線網絡連接，教室內節點通過傳感器將檢測到室內數據（溫濕度，光照強度等）傳到后勤管理中心，后勤管理中心軟件根據教室環境數據和排課信息，生成控制數據發送到各個教學樓控制臺存儲在本地，最后發送到各層樓的節點。

各層樓節點主要以stm32F407為核心，設置了以太網接口和zigbee無線網絡接口，電路結構如圖3所示，zigbee網絡接口以cc2530為核心，以太網接口主要是通過網絡接口芯片LAN8720來實現。樓層節點接收到控制數據包后，解析成各教室的控制數據，通過zigbee無線網絡發送每個教室。Zigbee網絡主要是以協調器、路由節點和終端節點的結構，樓層節點作為協調器，以cc2530為核心產生無線zigbee網絡，有一個PA-NID，每層樓教室的控制節點可以通過這個PANID連接到這個網絡，接收信號。

3教室控制部分

3.1教室中繼節點

教室控制節點電路結構如圖4所示，節點電路由cc2530為核心，通過UART口連接人機組態觸摸屏，cc2530編程實現modbus協議與人機觸摸屏通信，可以輸入設置信號和控制，同時可以顯示每個教室環境數據如溫濕度和光照強度等，教室控制節點在ZigBee網絡中充當路由節點的作用，能夠起到信號的橋接作用。

教室控制端可以進行模式的切換，教師進入教室后，需要調整教室用電器工作狀態的，可以在門禁系統刷入指紋識別后，可以在人機觸摸屏設置控制參數，教師設置的數據會傳輸回到后勤管理中心記錄。

3.2設備控制終端節點

系統最終的控制對象主要是教室的設備，包括教室門鎖開關，多媒體講臺，教室空調和電燈等，所有的這些用電設備都作為控制終端節點，每個教室中都會安裝溫濕度傳感器和光敏傳感器檢測教室內的信號作為檢測終端節點，傳感到二級控制節點，最后可以傳回后勤管理中心。

所有的終端節點都是以cc2530為核心，通過10端口PO和P1進行輸出控制，以74LVC245作為驅動，通過光耦隔離芯片6N137，控制繼電器，最后實現對燈和風扇、空調、門鎖、多媒體講臺控制，教室中繼節點通過無線zigbee網絡向各個節點傳輸控制數據。

3.2.1門禁控制節點

教室的門鎖開關作為zigbee網絡中的一個終端節點，結構如圖4所示，以cc2530為核心，通過繼電器控制門鎖的開關，在教室有課會提前自動打開教室門鎖，當教室沒有課情況下，只要門被拉合會自動鎖上，但是可以在內部通過開關打開教室門鎖，這樣防止學生被鎖在教室內。

在教室沒有課的情況下，只有管理人員有權限，從外部打開教室門鎖，這樣既可以保證教室內部到人不會鎖住，同時也能夠在教室內沒有人的情況下，教室外面到人不能夠隨意進入。系統可以添加教師權限，學校所有教師可以通過錄入指紋到后勤管理系統，如果某個老師在某天在哪個教室有課，后勤系統則會下發這個指紋數據到對應的教室控制端，這個老師則可以通過指紋打開這個教室的門。

3.3.2多媒體講臺節點

多媒體講臺也通過系統控制，如圖5所示，以cc2530為核心，作為一個zigbee網絡的終端節點，當某個教室有課時，該教室接收到上課的控制信號后，提前打開多媒體設備電源，發出啟動多媒體設備信號進行控制，同時這個節點通過光敏傳感器采集室內的光照強度信息，決定是否需要開燈。

3.2.3空調控制節點

空調控制終端如圖7所示，以cc2530為核心，作為zigbee網絡的一個終端節點，接收到啟動空調的控制信號后，首先是啟動空調電源，再與空調控制板建立通信連接，發送控制信號，讓空調工作在相應的模式，控制相應的溫度等，同時這個終端上面帶有溫濕度傳感器，可以采集教室內的溫濕度，將溫度信息返回后勤管理端，后勤管理中心決定是否需要開啟空調。

4總結

本系統實現了后勤管理中心對各個教學樓的設備遠程控制和管理，并且能夠實時監測受控用電設備的狀態和教室的環境，后勤管理中心針對各個教室的環境，根據學校教務系統課表數據庫各個教室的設備進行控制。

基于無線網絡的智能教室管理系統，省去了布線的麻煩，安裝布置方便快捷，通過教務系統和后勤系統的管理控制，能夠有效地控制各個教室的用電設備，節約更多的電力資源，讓電力資源更加高效的服務于高校管理和教學。