共享學習空間綠色智能控制系統設計

金雪莉，魏夢穎，伍飛宇，李俊娟，周群玲，陳梓浩

（廣州番禺職業技術學院 建筑工程學院，廣東 廣州 511483）

0 引言

近年來，基于開放式教學理念，我國不少高校在圖書館、實訓樓和宿舍生活區規劃建造共享學習空間，旨在讓學生彼此合作互相交流。相關調研發現：部分共享學習空間環境較差，不能滿足學生需求，空間使用頻率低；部分共享學習空間出現碩大的空間使用人數少甚至無人，能耗大的情況[1-3]。因此，控制室內環境設備，提升共享學習空間的室內環境舒適度，吸引更多學生前來，同時智能化控制設計，降低空間能耗，就成為共享學習空間發展面臨的最大問題。

1 智能控制系統設計

1.1 系統功能分析

實現共享學習空間室內環境舒適度和智能化控制，應考慮到以下功能：①對室內外環境參數進行實時監測，為環境控制設備的控制策略提供更準確的數據支持；②將各種終端設備、控制設備和輸入設備接入控制平臺，配套具有運算和發出指令的功能的操作系統，實現通過手機或電腦對各種終端設備進行控制，智能化地協調設備動作；③基于健康生活理念，增加室內二氧化碳濃度監測，完善系統控制策略；④針對部分共享空間使用頻率較低，考慮降低空間能耗，個性化定制節能控制模塊。

1.2 系統基本結構

控制系統由數據管理、邏輯控制和終端執行三部分組成。

數據管理模塊負責數據采集、分析和存儲，主要由上位機管理系統和外部數據庫（MUSQL）組成，通過數據服務器配合上位機程序完成相應的展示及邏輯控制功能。

邏輯控制模塊負責終端設備的開啟關閉功能，主要由可編輯邏輯控制（PLC）完成。

終端執行模塊主要包括窗戶、空調、風扇、燈光等終端設備的動作執行，執行命令主要由PLC控制器和上位機軟件完成發送，具體系統結構如圖1所示。

圖1 智能控制系統結構圖

2 系統硬件設計

設備系統共9個子系統，各子系統獨立又統一，可以單獨對某一子系統進行調節，也可受總控制平臺管理。

2.1 LED顯示系統

整個系統顯示通過1臺55寸8K液晶電視實現，服務器和大屏通過HDMI接口對接實現聲音圖像展示。

2.2 人體監測系統

系統上位機軟件通過控制PLC實現了各區域人體監測功能。

2.3 窗戶控制系統

系統上位機軟件通過控制PLC實現了各區域窗戶的系統控制功能。

2.4 燈光控制系統

系統上位機軟件通過控制PLC實現了各區域燈光的系統控制功能。

2.5 室外環境監測系統

包括室外溫濕度、風速、光照照度。水浸等采集，以上設備均通過RS485通信接口和服務器連接，上位機數據通信通過Modbus-RTU協議實現，可實現相關監測參數的數據監測功能。

2.6 室內環境監測系統

包括室內溫濕度、光照照度。CO2濃度等采集，以上設備均通過RS485通信接口和服務器連接，上位機數據通信通過Modbus-RTU協議實現，可實現相關監測參數的數據監測功能。

2.7 空調控制系統

電腦上機系統和紅外空調控制器通過Modbus-RTU通信，實現對制冷、制熱開關機及溫度調節控制。

2.8 電扇控制系統

系統上位機軟件通過控制PLC實現了各區域風扇的系統控制。

2.9 人流計數系統

通過RS485通信接口和服務器連接，上位機數據通信通過Modbus-RTU協議實現。可實現進入人數和離開人數的計數功能。

3 系統軟件實現

軟件平臺對應用場景進行了模式化設計，以提升控制質量，滿足不同環境情況下的需求，具體細化為以下3個模式：

3.1 界面手動模式

當需要調整系統設定的環境值時，或者出現應急管理情況時，可以選擇界面手動模式。該模式是考慮到初期系統環境設定參數不夠準確，如若出現環境需求未滿足的情況或是系統、部分設備出現連接問題時使用，該模式設定任何情況下都可以使用。

3.2 舒適模式

以熱舒適為目標設定系統最優環境參數值和控制流程[4]，系統開啟后，可根據室內外溫度T內、T外和CO2濃度監測值自動調節環境控制設備，自動開啟電扇，自動開啟空調，光線不足時自動開啟燈光，室內空氣質量較差時自動開窗，實現控制系統的智能化管理。舒適模式控制流程如圖2所示。

圖2 舒適模式控制流程圖

3.3 節能模式

部分共享學習空間使用頻率較低，在某些時間段使用人數較少時，可開啟節能模式。節能模式下將學習空間根據使用和空間分布的特點分區，進行分區環境控制，控制策略和舒適模式相同。當人流計數系統監測到有人進入時，系統設備才開啟，并只開啟部分區域，當人流監測到進入人數達到設定值時，再開啟其他部分區域。當人體監測系統監測到部分區域無人并且超過10分鐘，該部分區域環境設備自動關閉。該模式能降低環境設備能耗，實踐雙碳目標[5]。節能模式控制流程如圖3所示。

圖3 節能模式控制流程圖

4 結語

本系統在分析共享學習空間環境及使用特點的基礎上，從用戶動態需求和節能降耗的角度出發進行系統設計，帶來從控制平臺到應用場景方案的整體創新，真正實現了環境控制智能化。