智能化大班台的温度自动控制系统

路则光，王 萌，贾万达，王凤杰，侯加林*

(1.山东农业大学林学院;2.山东农业大学水利土木工程学院;3.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018)

在未来的办公环境中，智能化家具将提供更加便利的工作环境［1－2］。“智能化办公家具”是未来的一种发展趋势，虽然当前尚处于起步阶段，但是它将会有广阔的发展空间［3］。作为高端办公家具的智能化大班台应能对办公环境质量进行智能化控制，根据人员需要自动调节室内环境，形成舒适健康的办公环境，提高人员的工作效率和心理满意度［4－6］。Zheng 等人指出无线网络(WSN)能感应各种环境空间中的信号，检测各种目标对象和各种条件，收集相关信息［7］。Lun－Wu Yeh 等人认为可利用无线传感器在线检测建筑内各个房间内电器的使用状况，根据需要打开或关闭电源，达到节约能源的目的［8］。德国的Linner，T.等人提出可以采用智能技术对室内环境及其设备进行控制等［9］。在前期研究办公环境参数监测系统的基础上，本文主要探讨智能化大班台的温度自动控制系统，分析其硬件和软件，借助空调实现对室内温度的自动调节。

1 办公环境温度要求

智能办公环境的目标是提高室内人员的工作效率，营造较高的舒适度，为未来的技术维护和升级提供发展空间［10］。就室内环境(热、光、声、空气品质)而言，热环境的质量对人员工作效率的影响较大［11－12］。并且，与人员舒适度相关的因素主要有温度、湿度、风速、人体新陈代谢量、衣着、平均辐射温度等，这些因素之间相互作用，共同影响着室内人员对办公环境的冷热感觉。因此，室内热环境与人员的工作效率和舒适度有着密切的关系，智能办公环境要达到预期的目标，改善室内热环境质量是根本而有效的途径之一。

温度直接影响人体通过对流、辐射及蒸发三种形式的散热量，使人体产生维持热量平衡的各种生理反应，进而影响人体的热舒适度和工作效率。人处于突变环境空气温度下，热感觉会随着空气温度的变化立即发生变化［13］。在人体达到正常热平衡时的热感觉就是热舒适［14、15］，冬季的热舒适温度在19～21℃之间，夏季则在21～23℃之间［16－18］。我国《采暖通风与空气调节设计规范(GB50019－2003)》［19］规定舒适性空调室内温度冬季应为18～24℃，夏季应为22～28℃。

就温度对工作效率的影响而言，过高或过低的环境温度都不利于工作效率的提高。Sundstrom 发现在暖环境下长期工作，人员脑力任务(尤其是那些需要协调视觉和手动操作的任务)的错误率上升［20］。Pepler和Warner 认为温度与任务反应时间之间存在倒U 型曲线关系，在26.7℃下用时最长，但错误率也最低［21］。Wyon 发现温度对工作绩效的影响与任务性质有很大关系:对脑力任务，当中性温度为21℃时，工作速率在27℃时下降30%，当温度高于27℃后，下降幅度保持为70%;对打字任务，当温度高于中性温度4℃后，绩效就下降了70%，随后随温度的上升下降幅度保持不变［22］。M kinen 等认为冷环境对人体生理反应和热感觉有负面作用，并使简单反应时任务的速度和绩效下降［23］。Parsons KC 发现简单认知任务比较容易受冷环境的影响，低温环境使关节变僵硬，肌肉活性下降，手的灵活性下降，从而对手工灵活性有要求的任务在适度冷环境下绩效会有所下降［24］。当温度在20～22℃左右时，人手的灵活性就开始下降［25］。

2 硬件

按功能分，温度自动控制系统的硬件包括信息接收及处理装置、信号发射装置和执行装置三部分，如图1 所示。

图1 硬件关系图Fig.1 Relationship chart of hardware

根据由室内温度传感器监测的温度信息，无线传输到计算机。依据计算机内的单片机程序对温度信息进行逻辑判断，指挥信号发射装置发出升温或降温指令，继电器控制电路工作，自动调节遥控器的温度开关，空调开始启动调节室内温度。

2.1 信息接收及处理装置

信息接收及处理装置包括计算机和单片机。其中，作为核心部件的单片机是控制器，外接一个无线RS－232 通信接口与计算机进行通信，用于温度信息的接收、分析和处理。

2.1.1 温度传感器 根据办公室的特点，温度传感器应具有稳定性好，灵敏，响应迅速，准确度高的性能。本研究选用DS18B20 数字化温度传感器测量温度，主要基于以下三点:一是采用单线接口，与单片机连接方便，编程也较为简单;二是测量温度范围为－55℃～+125℃，在－10℃～+85℃范围内，精度为0.5℃，完全可以满足监测办公室内温度的需要;三是反应灵敏，能够及时监测到温度的变化。此外，价格低廉，在大规模应用的场合可显著降低成本。图2为温度传感器DS18B20，其内部有三个主要数字部件:64 位激光ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL。

图2 温度传感器DS18B20Fig.2 Temperature sensor DS18B20

2.2.2 单片机 单片机是室内温度自动控制系统的核心，负责把各个传感器采集的信息读取出来并发送给计算机。本项目选择MCU－51 单片机，如图3 所示。它是一款基础入门的单片机，价格低廉、性能稳定，而且功耗低，可以用电池供电，更增加了采集点放置的灵活性。

图3 MCU－51 单片机Fig.3 MCU－51 MCU

2.2 信号发射装置

信号发射装置由继电器控制电路和遥控器电路板组成，继电器控制电路与遥控器电路板温度键下的金属导线相连，由继电器电路控制遥控器温度键的开关，从而使空调升温或降温。其中，继电器控制电路是核心，其工作原理如图4 所示。

图4 继电器控制电路Fig.4 Control circuit of electric relay

当单片机管脚输出为高电平时，三极管截止，继电器两端不通电，继电器开关断开，两根导线不导通，相当于遥控器温度键未被按下，不向空调发射信号;当单片机管脚输出为低电平时，三极管导通，继电器两端通电，继电器开关闭合，两根导线导通，相当于遥控器温度键被按下，向空调发射信号。

2.3 执行装置

执行装置是空调，可以根据遥控器温度键下的导线接通与否，调节室内的温度参数，以取得理想的温度舒适度。这是温度自动控制的主要目的。

3 软件

软件是温度自动控制系统的神经中枢，作用是对接收的温度信息进行分析和处理，其流程如图5 所示。

图5 软件流程图Fig.5 Work process of software

当温度值高于设定的温度上限时，与遥控器电路板降低温度按键相对应的单片机管脚输出低电平，向空调发射降低温度的信号;当温度值低于设定的温度下限时，与遥控器电路板升高温度按键相对应的单片机管脚输出低电平，向空调发射升高温度的信号;当温度值介于设定的温度上限和温度下限之间时，与遥控器电路板降低温度按键和升高温度按键相对应的单片机管脚都输出高电平，不向空调发射信号。

4 结语

本文研究了智能化大班台的温度自动控制系统的硬件和软件，借助继电器的接通与否可以控制空调开关，自动调节室内温度，以获得舒适的办公环境。系统的开发与应用，会提高智能化办公空间的环境质量，将提升智能化大班台的科技含量。同时，温度自动控制系统也可用于民用住宅中，根据环境温度的改变自动调节温度，使人们获得良好的舒适感，从而提升生活质量。因此，温度自动控制系统具有较高的使用价值和推广价值。

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