高校教室照明节能智能控制系统设计

　　谢一凡陈华丽
　　摘要：为解决目前大学教室灯光长明造成的电量浪费问题，提出了由MSP430单片机、光频转换器和人体感应传感器组成的节能智能控制系统，通过合理安排时间以及综合处理人体和光强信号，来实现灯光的智能开、关，从而达到节能的目的。
　　关键词：单片机；节能；智能控制
　　Abstract：Thispaperdevelopingasystemtosolvetheenergywasteproblemcausedbythelongtimelightinginuniversityclassrooms。ThesystemiscomposedofMSP430singlechipmicrocomputer，lighttofrequencyconverterandinfraredsensor。Throughmakingreasonablearrangementsoftime，processingphysiologysignalandlightintensitycomprehensively，thesystemsavessignificantenergyandworksintelligently。
　　Keywords：MCU；energysaving；intelligentcontrol
　　社会可持续发展的主要问题在于能源，节约能源需要我们从生活的方方面面做起。仅以高校教室为例，由于管理不够科学规范，每年都会有大量的电力资源白白浪费。我国高校目前的教室灯光管理绝大多数依赖人工，由于教室数量多，管理员无法对每间教室都实施及时的控制，常常出现教室无人时开灯、光线充足时也开灯的长明灯现象，造成了不必要的电能浪费和经济损失。以我校为例，就公共教学区来说，粗略统计大约有30000盏灯，每盏灯36W，按每天亮灯（从早晨8点到晚上9点正常运行）13个小时计算，扣除一年三个月的假期，一年教室照明的耗电量大约为389。08万度，依照现行电价0。573元度，学校在教学楼耗电上要支出约222。94万元。若按每天只浪费用电2小时，则白白流失的就有61。24万度电，多支出34。3万元。试想全国所有高校每天浪费的电量该是多么庞大的数字。为了解决这种情况，设计出高校教室照明节能智能控制系统，使教室灯光能够按需分配，实现人到灯开、人走灯灭、智能节能。
　　一、系统整体设计
　　系统采用由上下位机组成的主从式结构，对教室进行分区域控制〔1〕。主机通过网络控制各个教室中的下位机，对不同的区域安装光频转换器和人体感应传感器，分别测量教室内的光强和人员分布情况，实现教室内不同区域的灯光开关，从而能够有效节省电源。
　　各个教室中的下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，以光强及人体信号作为系统启动后开关灯的判断标准。在工作时间内，如有模式信号输入则系统进入相应的模式；若无，则进入自习模式。不在工作时间，如有手动信号输入，则根据手动任务的设定运行；若无，则关闭所有的灯。
　　系统预置有不同的工作模式：讲课模式、自习模式，供用户根据需要进行选择使用，且各模式之间可以自动切换，使操作更加便捷。
　　1。讲课模式。由于每个教室排课不同，通过上位机PC软件将对应课表下载到不同的教室，将有课、无课分别设置为1和0，存储在下位机的FLASH中〔2〕。下位机则处于定时工作状态，每堂课开始的前5分钟，教室中的下位机会进行一次判断，如果对应有课，则开启讲课模式，教室灯光全开；如果没有课，则关闭教室全部灯光，进入自习模式。
　　特别地，有时存在教师临时更换上课地点，故讲台上也放置一个人体感应传感器，在进入讲课模式后，每隔5分钟探测1次讲台上是否有人上课，执行2次这样的操作，并将2次检测结果取逻辑或运算。如果为真，则说明有人上课，继续执行讲课模式；如果为假，则进入自习模式。下位机的判断过程如图1所示。
　　2。自习模式。将教室分为A、B、C、D四个区域，如图2所示，每个区域房顶正中放置一个人体感应传感器HCSR501〔3〕和光频转换器〔4〕。当下位机处于自习模式时，输入参数为人体存在信号和光强度信号，若某区域的人体感应传感器检测到有效信号，系统判断此时光频转换器采集到的光强，如果高于设定阈值（光线较弱），则打开对应区域的日光灯；如果低于阈值（外界光线很强），无论教室是否有人，都不开灯，如图3所示。
　　图2教室内区域划分图
　　图3自习模式流程图
　　二、系统具体设计
　　1。上位机设计。用C编写含有以下2个功能的软件〔5〕：能将课程表分别导入到各教室中的下位机；能将各下位机的灯光开关状态显示在上位机界面。
　　将教学楼的所有教室组成网络结构，如图4所示。管理人员通过上位机PC上的软件实现对各个教室的监控，用MSP430芯片制作一个中转控制器〔6〕，如图5所示，作为上下位机间的枢纽，保证通信的有效性。
　　上位机软件从教务处导出各个教室的本学期的课表，用数据库SQLSever存储〔7〕。同时设置为每天凌晨向各个下位机发送每天更新后的课表信息，PC机与中转控制器的RS232接口建立通信〔8〕，由于每个教室在IIC总线上都有唯一地址，此时IIC总线通过总线裁决，决定哪个教室占用总线，中转控制器通过IIC接口将信息发送至对应教室。在更新完课表信息后，中转控制器设置为从机，各个下位机定时将教室灯光信息反馈至上位机界面，使得管理人员能够掌控每个教室具体的灯光情况，提高了监控效率。
　　2。下位机设计。下位机的课表、灯光信息存储在单片机FLASH中，从而能够实现掉电保护。系统还加入密码控制，以增加系统运行的安全性。通过键盘完成设定密码、初始化时间。时钟模块采用芯片DS1302〔9〕，该芯片不仅能够显示秒、分、时、日期、月份和年份信息，还可实现掉电保护，为时钟电路提供电源，如图6所示。
　　下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，以光强及人体信号作为系统启动后开关灯的判断标准。将时间作为控制依据进一步加强对节能的监管，明确工作时间与非工作时间的界限。
　　具体来说，将6：00～22：00设置为工作时间，在工作时间段内系统自动在讲课模式和自习模式之间随时间的变化不断切换；在非工作时间内，系统自动关闭，实现节能。而系统在不同的模式下开关灯的标准不同，讲课模式下灯光自动全开，也可根据需要手动强制开关灯；自习模式下，将人体感应模块HCSR501参数设置为延时时间1分钟和可重复触发，光频转换模块阈值设定为白天不低于150lx，晚上不低于200lx。当有人体信号后，判断此时光强，若高于阈值不开灯，低于阈值开灯。这样只要人仍在有效探测区域内，人体感应传感器便能不断检测到，延时被重复触发，而不在时，该区域灯灭。从而实现人到灯开，人走灯灭。
　　3。人数统计。在教室门口放置人数统计装置，其分布图如图7所示，A、B处各放置一个红外收发对管，当无人通过时电压保持不变，设为状态0，有人通过时电压变化，设为状态1。有A、B状态真值表如表1所示。
　　程序中设置全局变量判断教室内人数，当红外接收管电压发生变化时系统发生中断，通过查询数组值判断A、B的变化情况。例如当有人进门时，A由0变为1，B仍为0，将总人数值加1；同理，当B由0变为1时，总人数值减1；当A、B皆为1时，说明同时有人进出，此时总人数不变。
　　上位机可以通过软件了解各个教室的实时人数，从而大致判断教室内上课的出勤率。同时可以计算出各个教室的空位数，学生可以通过大厅的显示画面了解去哪个教室自习。
　　三、结束语
　　系统的设计从低碳、环保的理念出发，立足于节能，适用于高校教室照明控制。采用多模式控制，实现各模式之间的自动转换，满足教室上课、自习、多媒体等多用途的需求。课表模式的引入不仅从全局上能够网络化管理灯光，也能实现局部的差异性。通过实际测试，人数判断较为精准，但是当两人同时进出门时统计可能产生误差。
　　参考文献
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