王青

(煙臺汽車工程職業(yè)學院，煙臺 265500)

0 引言

在學校這個場所，教室是學生主要活動的地方，它是師生之間進行知識交流的地方，而且高校一般都是屬于開放式的時段管理模式，對于教室資源的使用與高中、初中是不一樣的，高校的治安維護、資源調(diào)配和衛(wèi)生都是由相應(yīng)的管理人員進行管理[1]。自由調(diào)配的開放式教室雖然給學生的學習帶來了便利，但是因為缺乏科學的管理，造成教室能源浪費情況比較嚴重。有時候，在教室就一兩個人，但是教室的風扇、照明燈基本上都是打開的；還有教室的溫濕度、光線都是處于良好的學習環(huán)境下，還是會有人將風扇、照明等設(shè)備打開，造成教室資源被大量浪費。根據(jù)教室公共照明設(shè)計標準，教室照明的功率設(shè)計在10 W/m2左右，所以教室標準照明需要設(shè)計到96 m2，假設(shè)照明系統(tǒng)從早上8:00～21:00處于運行狀態(tài)，而每個教室每年按照160 kW·h設(shè)計，如果整個學校有210間教室，對高校教室照明系統(tǒng)控制技術(shù)進行改進，將電能節(jié)省力提高到30%，這時每年大概節(jié)省電能資源2.28×105 kW·h；如果電能照明單位是0.5元，每年可以節(jié)省大概12萬電能資源，這時排除教室照明系統(tǒng)的使用壽命和其他因素，充分表明對教室照明系統(tǒng)控制技術(shù)進行完善，具有很大的經(jīng)濟效益，是學校教室可以重點研究的。

1 教室節(jié)能燈光控制器控制概述

對教室燈光進行控制可以利用系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)自動化節(jié)能控制，從而有效調(diào)節(jié)教室燈光資源。該控制系統(tǒng)主要是對教室內(nèi)溫濕度、人數(shù)、光照強度等信息進行收集，分析教室是否有人，光照、環(huán)境溫濕度是否滿足學習環(huán)境需求，從而決定是否將燈光系統(tǒng)打開，是否采取合理的燈具匹配對策。在該系統(tǒng)中，如果分析到教室光照環(huán)境滿足標準，就可以選擇關(guān)閉燈具，這個控制過程需要系統(tǒng)分析外部光照強度是否達到學生學習的闕值，或是分析對節(jié)能照明燈具進行充分匹配已達到合理利用資源的目的，從而保證教室燈光照明的穩(wěn)定[2]。

本文選擇在教室燈光控制系統(tǒng)中，使用單片機作為整個核心控制部分，來提高教室照明系統(tǒng)節(jié)能效率，以及資源的合理調(diào)配；另外，結(jié)合傳感器等設(shè)備，構(gòu)建智能化控制系統(tǒng)，從而有效提高整個系統(tǒng)的運行效率。在整個硬件設(shè)計中，根據(jù)教室對照明系統(tǒng)的標準規(guī)范，建立一個有軟件支持的控制系統(tǒng)，軟件構(gòu)成部分，是由傳感器來采集各種信號，以及相關(guān)硬件設(shè)備對信息進行處理和傳輸，從而實現(xiàn)自動化教室燈光資源的節(jié)能控制和調(diào)度。

2 教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文主要分析的是由PIC18F458型號單片機構(gòu)成的教室燈光節(jié)能設(shè)計控制系統(tǒng)，這種單片機屬于整個檢測系統(tǒng)的核心控制器，然后結(jié)合通訊線RS-485實現(xiàn)對同層教室能源使用進行控制，并與每個單元的1n進行連接，之后利用CAN總線將綜合調(diào)配計算機中央系統(tǒng)與單元1n進行連接，從而提高教室燈光資源的動態(tài)高校協(xié)調(diào)管理，具體實現(xiàn)邏輯，如圖1所示。

圖1 自動化教室節(jié)能資源調(diào)配管理邏輯結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1進行分析，該教室節(jié)能控制系統(tǒng)是由單片機PIC18F458作為核心控制系統(tǒng)，通過分析教室溫度和濕度、電氣運行情況、學生學習人數(shù)、光照強度等動態(tài)信息，之后在通過學校中央計算機King View6.5單元發(fā)布數(shù)字化、動態(tài)化、全中文、圖形化等教室信息到監(jiān)控界面，讓管理人員能夠看到，從而實現(xiàn)資源的調(diào)配，為學校教學提供人性化的資源服務(wù)[3]。

3 教室燈光節(jié)能控制器的設(shè)計

根據(jù)圖1可以看出，在整個教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，教室控制檢測單元是整個節(jié)能管理系統(tǒng)中的核心部分，它不僅可以監(jiān)控教室動態(tài)對象信息，對這些信息進行運算分析和保存，而且也能實現(xiàn)對每個樓層單元的信息通信和共享等。

3.1 選型硬件設(shè)計

3.1.1 單片機選型

建立智能化教室資源節(jié)能控制系統(tǒng)，需要保證自動化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人員維護特點。所以，本次分析的單片機是PIC系統(tǒng)，是由Microchip公司開發(fā)的PIC18F458單片機設(shè)備。該設(shè)備具有哈弗通信總線結(jié)構(gòu)、高速的運算分析、精簡指令(RISC)技術(shù)控制、驅(qū)動能力較強等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對儀表儀器進行精度控制，也能使用在工業(yè)控制系統(tǒng)，以及家電器自動化控制領(lǐng)域中。

3.1.2 紅外數(shù)據(jù)的采集與處理單元

在教室技能系統(tǒng)中是由紅外傳感器對整個教室內(nèi)部動態(tài)信息進行收集，同時結(jié)合處理子系統(tǒng)，采集人數(shù)信息，該系統(tǒng)的構(gòu)成成本比較低，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。在教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，人數(shù)信息收集是控制教室照明系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)，同時也是調(diào)整燈具運行狀態(tài)的依據(jù)，這樣才能實現(xiàn)合理調(diào)整教室內(nèi)部資源。關(guān)于教室處理單元和紅外數(shù)據(jù)采集等結(jié)構(gòu)邏輯，如圖2所示。

圖2 單元處理和紅外采集邏輯信息結(jié)構(gòu)構(gòu)成

3.1.3 采集單元光照信號選型

根據(jù)多種光敏電阻、光禍合器、光電管等電能探測器的功能進行分析，與人視覺敏感區(qū)光波長比較接近的是光敏電阻產(chǎn)生的光譜峰值；如果外部環(huán)境的光照強度下降，這時光敏電阻響應(yīng)產(chǎn)生的時間也會增多，這就是在控制教室燈光強度時，隨著光照強度其輸出狀態(tài)也會進行合理調(diào)整。所以，本次研究對于教室光照強度選擇光敏電阻進行數(shù)據(jù)采集和單元處理。關(guān)于采集教室光照強度情況的硬件電路，如圖3所示。

圖3 教室采集光照強度電路

由圖3分析，光敏電阻是RO，隨著教室光線強度的變化電阻值也會出現(xiàn)上下變動，這樣可以保證教室燈光能源的穩(wěn)定供給；其中R是教室光照電路中采集的負載電阻；C是電路中去耦電容，而Vcc是電能采集中+5 V電源。

3.2 軟件編程設(shè)計

在整個教室節(jié)能控制系統(tǒng)中，主要是由信號采集、智能調(diào)節(jié)、信號傳輸?shù)裙δ苣K構(gòu)成，其中軟件編程模塊是必不可少的部分。上述分析道、軟件部分主要是對紅外采集系統(tǒng)和光照強度電力采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而實現(xiàn)電路的控制。

3.2.1 采集紅外數(shù)據(jù)和電路軟件設(shè)計

對教室內(nèi)的學習學生通過紅外傳感器進行動態(tài)檢測，從而建立照明燈具合理控制的最優(yōu)方案，關(guān)于軟件控制紅外數(shù)據(jù)處理流程，如圖4所示。

3.2.2 電路軟件光照強度采集設(shè)計

在單片機采集光照信號電路系統(tǒng)中，軟件設(shè)計部分是利用光敏感傳感器來收集教室光照強度動態(tài)數(shù)據(jù)，同時對其進行處理，詳細軟件流程，如圖5所示。

圖4 紅外數(shù)據(jù)采集處理電路軟件流程

圖5 采集光照強度的電路軟件流程

4 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

在整個教室資源節(jié)能系統(tǒng)控制中是由教學樓中央計算機作為上位監(jiān)控機，在教室正常系統(tǒng)運行中，該模塊可以對采集到的信息進行實時分析和儲存，同時與教室節(jié)能終端檢測控制器和CAN總線系統(tǒng)實現(xiàn)通信，對教室動態(tài)節(jié)能智能化系統(tǒng)進行合理調(diào)節(jié)。在教室資源節(jié)能系統(tǒng)控制中，上位機與軟件部分構(gòu)成可視化界面，顯示各種采集信息。

5 總結(jié)

本文主要是以提高教室能源合理分配為主，對教室建立的節(jié)能管理系統(tǒng)進行分析，該系統(tǒng)主要是有檢測技術(shù)、單片機技術(shù)、控制技術(shù)等構(gòu)成，其中在教室節(jié)能資源動態(tài)管理中，使用的單片機是PIC18F458設(shè)備，這對提高教室能源使用的效率有很大幫助，同時達到節(jié)約資源的目的。