教室照明节能控制系统的智能化和可视化设计

刘智旸　陈华丽

摘 要：针对目前高校教室照明日光灯不合理使用而造成的电力资源浪费问题，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，从而达到节能的智能化；通过C#编写的窗口程序和MSP430单片机的结合，将下位机上传的数据在上位机进行可视的实时监控。

关键词：C#；可视化控制；单片机

中图分类号：TP273 文献标识号：A 文章编号：2095-2163（2014）02-

Intelligent and Visualization Design of University Classroom

Lighting Energy-saving Control System

LIU Zhiyang CHEN Huali

（College of Information Science and Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan Hubei 430081， China）

Abstract： To solve the energy waste problem caused by the long time lighting in university classrooms，the energy-saving control system is proposed that composed of MSP430 single chip microcomputer， light-to-frequency converter and infrared sensor. Through making reasonable arrangements of time， processing physiology signal and light intensity comprehensively， the system saves significant energy and works intelligently. Combined c# application program with MSP430，PC can supervise data visually from lower computer in real time.

Keywords： C#； Virtual Control； MCU

0 引 言

中国可持续发展的关键在于资源的有效利用，节约能源则需要从生活的方方面面做起。以高校教室为例，由于教室日关灯的管理未尽实用科学，造成大量电力资源的无端耗费。目前各高校的教室灯光还停留在人工控制状态，但由于教室数量多，每个教室的使用功能也各有不同，使得管理员无法对每个教室做到实时控制，经常出现教室亮灯却无人，光线充足也亮灯的现象，造成不必要的电力资源浪费。以作者所在学的教学区为例进行计算，大约有30 000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，每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，则凭空流失的就有61.24万度电，也就是要多支出34.3万元。若全国高校均如此计算那将是难以估量的巨大电力资源浪费。为了解决这种情况，设计出高校教室照明节能控制系统，使教室日关灯能够按教室使用模式亮灯，并且能通过上位机实时反映各个教室的亮灯情况，进而实现照明控制的智能化和可视化。

1 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之内的下位机，并对不同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，控制教室内不同区域的灯光开关，从而实现节能的智能化。

各个教室中的下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，而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；若没有信号输入，则进入自习模式。倘若不在工作时间，如有手动信号输入，则根据手动任务的设定实现运行；若无，则关闭所有的照明灯。

系统预置有不同的工作模式，可分为两种：讲课模式和自习模式，供用户根据需要自行选择使用，且各模式之间可以自由切换，操作起来亦更加便捷。下面对这两类模式展开具体论述

1.1讲课模式

由于每个教室所排课程的不同，可通过上位机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”，并存储在下位机的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分钟探测一次讲台上是否有人上课，并依次执行两次同样的操作，再将两次的检测结果取逻辑“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。

图1 下位机的判断过程框图

Fig. 1 Judging process frame of lower computer

1.2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HC-SR501[3]和光频转换器[4]。

图2 教室内区域划分图

Fig. 2 Zoning plan in the classroom

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，系统就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3 自习模式流程图

Fig. 3 Flow chart of self-study mode

2系统具体设计

2.1上位机设计

用C#编写含有以下2个功能的软件[5]：

（1）能将课程表分别导入到各教室的下位机；

（2）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全程监控，再用MSP430芯片制作一个中转控制器[6]，如图5所示，将其作为上下位机间的枢纽，保证通信的有效性。

以一个教室为例，下位机接收并读取课表信息，若显示有课，则下位机工作在上课模式。开始工作时，系统默认初始设置为所有的灯均是亮的，继而判断教室A，B，C，D四个区域的光强是否超过默认阈值来决定该区域灯是亮还是灭，避免光强充足但仍然亮灯而造成的不必要浪费。若显示无课，则下位机工作在自习模式，初始状态设置四个区域灯全亮，A，B，C，D四个区域的人体感应检测器统计四个区域的人数，记录人数并和教室亮灯情况一同以数组形式回传给上位机，使上位机可以直接查询每个区域的亮灯情况和区域人数，人工调节区域亮灯情况并将调整后的数据复传给下位机，控制教室四个区域的灯亮灯灭，具体流程如图6所示。

图4 系统网络结构图

Fig.4 System network structure diagram

图5 中转控制器硬件图

Fig.5 Relay controller hardware diagram

图6 下位机控制某教室亮灯情况的流程图

Fig.6 the lower computer controlling classroom flow

（1）上位机读取Excel表格信息

将课表信息存储在Excel表格中，并将此课表信息文件存放在指定位置，方便窗口程序读取文件[7]。读取Excel表格的程序如下：

public DataTable ExcelToDS（string Path，int i）

{

string s；

s = "Sheet" + Convert.ToString（i）；

string strConn = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；" + "Data Source=" + Path + "；" + "Extended

Properties=Excel 8.0；"；

OleDbConnection conn = new OleDbConnection（strConn）；

conn.Open（）；

string strExcel = ""；

OleDbDataAdapter myCommand = null；

DataTable dt = null；

strExcel = string.Format（"select * from [{0}$]"， s）；

myCommand = new OleDbDataAdapter（strExcel， strConn）；

dt = new DataTable（）；

myCommand.Fill（dt）；

return dt；

}

在窗口程序中选择教室编号，读取表格并将相应教室上课列表信息显示出来，使操作员能够清晰地了解教室的课程信息。窗口程序效果图如图7所示。

图7 上位机窗口显示的课表信息

Fig.7 the schedule information of PC window

（2）传输课表信息给下位机

按照与下位机已有的约定，设置相应数据包头，将课表信息按顺序放置在数组中，打开端口将数据传输给下位机，并检查数据传输是否超时。传输数据的程序如下：

private void button5_Click（object sender， EventArgs e）

{ int l；

if （serialPort1.IsOpen == true ）

{

if （button5.Text == "建立连接"）

{

pictureBox1.BackColor= Color.Red；

data[0] = 0XA1；

serialPort1.Write（data， 0， 1）；

Try_connect = true； timer1.Interval = 500；

timer1.Enabled = true；

}

else if （button5.Text == "传输"）

{

progressBar1.Maximum = 10；

progressBar1.Value = 0；

data[0] = 0XA2；

data[1] = 0X01；

data[2] = Convert.ToByte（b）；

for （m = 0， n = 3； m < 25； m++， n++）

{

data[n]= Convert.ToByte（b2[m]-48）；

}

data[28] = 0XBB；

serialPort1.Write（data， 0， 29）；

progressBar1.Value = 10；

Transmiting = true；

DATA_SUCCESS = false；

timer1.Interval = 500；

timer1.Enabled = true；

}

}

else

{

MessageBox.Show（"请先连接串口"）；

}

}

通过该程序将课表传给相应教室的下位机，并完成存储，同时也要实时地更新课表信息。

下位机将教室各区的亮灯情况，以及各区统计人数均以数组的形式回传给上位机，上位机读取数据后将相应教室的信息显示在窗口程序中，方便操作人员明确了解各个教室中各区的亮灯情况和各区人数，进而做出相应的亮灯调节，操作人员的操作界面简图如图8所示。

图8 上位机的操作界面

Fig.8 The PC interface

2.2下位机设计

下位机的课表、灯光信息存储在单片机FLASH中，以此来实现掉电保护。系统还加入密码控制，从而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[8]，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9所示。

图9 下位机硬件图

Fig.9 Hardware diagram

下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，而以光强及人体信号作为系统启动后开关灯的判断标准。系统中将时间作为控制依据进一步加强了对节能的监管，且明确了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”之间随时间变化而不断切换；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HC-SR501参数设置为1分钟延时和可重复触发，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，延时也进行了重复触发，而不在时，该区域灯灭。如此即实现了人到灯开，人走灯灭。

3 结束语

系统设计从低碳、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。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，从而达到节能的智能化；通过C#编写的窗口程序和MSP430单片机的结合，下位机上传的数据可在上位机中进行可视的实时监控。智能化和可视化是该节能控制系统的两大优点。

参考文献：

[1]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]黎洪生，刘苏敛，胡冰，等.基于无线通信网络的智能路灯节能系统[J].计算机工程， 2009，35（14）：190-191，214.

[3]闫军威，林海杰，彭响方.基于 LonWorks 技术的路灯节能控制系统[J].电力电子技术， 2009，43（9）：47-49.

[4]胡开明，李跃忠，卢传华.智能路灯节能控制器的设计与实现[J].现代电子技术，2009， 34（9）：143-145.

[5]申田宝，吕俭荣，储惠，等.智能照明节电器的技术特性与应用[J].上海节能，2004， 10（3）：29-31.

[6]吴瑶，姜建国.基于模糊控制的节电照明系统[J].工矿自动化， 2005， 25（12）：82-85.

[7]吴永桥，金康进，施广林.基于单片机的节电照明控制系统[J].世界电子元器件，2004， 22（4）：47-49.

[8]刘三梅，程韬波，胡战虎.基于GPRS/WEBGIS 的路灯节能监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2008，29（1）：187-189.