基于单片机的教室节能与智能化控制

袁天驰 （天津城建大学控制与机械工程学院，天津3003841）

梁国祥 （宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德352100）

目前，教室中的主要耗能电器为传统荧光灯。目前大多数采用人力机械式开关控制传统荧光灯的亮灭，这需要学生根据天气和光照条件自觉改变亮灯的数量。传统的控制方法造成了学校用电的巨大浪费［1－2］。有调查显示，采用传统控制方式的100个教室仅照明耗电可以达到1904kW·h，如果在21∶30以后关闭一半教室的灯光，一天可以节约电能408kW·h。2005年12月12日，建设部全国建筑节能专项检查组专家指出，节能住宅不可忽视自动进风排风系统。目前国内教室的窗户和通风系统采用人力开关控制方式，不能根据室内CO2的浓度和空气质量自动通风换气。室内聚集的CO2大大降低了学生的学习效率并且不利于学生的身心健康［3］。由此可见，研究以教室节能和智能化控制为目的的新型教室用电设备是十分必要的❶宁德师院服务海西建设项目（2011H202；2012H307）。。

1 系统结构

系统的结构如图1所示，其主要由上位机系统的程序端、下位机系统的信号采集与分控制器端以及以太网构成的通信系统3部分组成。这3部分共同完成照度、红外、温湿度和CO2检测，实现灯光、窗户和通风电机的控制。

主控制器与分控制器通过以太网完成数据传输。分控制器实时采集各传感器的信号，判断各检测的信号是否超过阈值，来驱动继电器的通断，完成教室的节能减排控制。主控制器的客户端软件可以发送数据或命令到分控制器，完成教室照明灯具以及其他设备的手动控制。当发送命令时，分控制器采用中断的方式接收主机发来的信号并执行相应的操作。

图1 教室节能与智能化控制系统框图

2 结构电路设计

2.1 教室灯光节能结构电路

从系统的功能来看，系统检测的教室信号有人体红外、温湿度、光照强度等。当分控制器通过人体红外检测到教室有人时，结合教室内温湿度、光照情况等外部因素，动态决策教室各用电设备的节能匹配方案。当教室环境光照满足照明规范要求时，控制所有的灯具保持关闭状态；当教室光照强度不够，且检测到有人在教室时，分控制器能根据实际需要决策照明方案，使教室灯光能高效节能稳定的运行。其系统组成框图如图2所示。

图2 教室灯光节能控制组成框图

2.2 教室智能门窗控制结构电路

智能门窗控制单片机为AT89C51芯片核心器件，主要由人体红外信号检测、温湿度以及CO2浓度信号采集和调理电路、输出控制电路等组成。教室智能门窗控制模块由CO2传感器、湿度感受器、温度传感器、单片机和电机等组成。通过温、湿度传感器和CO2传感器检测教室环境状况，单片机根据要求实现统一的开关，调节窗户的开关及打开程度。同时拥有储备电源，停电时可以利用上位机进行统一的管理。通过与转轴、电机、电磁锁的组合，达到利用电机、电磁锁实现远程教室门窗的智能开关。当晚间教室没有人时，管理人员可以远程控制门的自动关闭；当白天上课时，管理人员可以远程控制门的打开［4－5］。系统的控制组成框图如图3所示。

图3 智能门窗控制结构框图

3 硬件电路设计

3.1 感光检测系统设计

系统安置4路光敏电阻作为感光传感器，分别位于教室的前后左右，检测不同区域的光照强度，从而确保教室光线检测的稳定性；根据光敏电阻的阻值与光强的关系，其阻值随教室内部光线的变亮而上升或下降。

光敏模块将采集到的光照模拟量信息传送给PCF8591芯片的A／D转换器，转换为数字量信号，通过I2C总线，传送给单片机，单片机将得到的信号进行处理后再次回传给PCF8591芯片的D／A转换器，得到最大值为5V的电压信号。然后再利用LM358搭建放大电路，将信号转变为0～10V的模拟信号。

3.2 人数检测原理

教室人数统计功能的实现，采用2个平行放置的E18－D80NK红外避障模块。该模块集发射和接收为一体的光电传感器。当前方无障碍输出高电平，有障碍输出口电平会从高电平变成低电平。模块上有一个电位器可以调节障碍的检测距离，一旦调节好电位器（如调节好的最大距离50cm）则在有效距离内（如40cm处有障碍物、10cm处有障碍物）则输出低电平，低电平刚好给单片机识别。2个红外避障模块平行放置，可以通过测量人进出教室时方向的不同从而达到计量教室人数的功能。如进入时先触发一号红外避障模块，然后2个避障模块同时处于触发状态，接下来跨越一号的检测范围，仅触发二号避障模块，然后2个模块都处于空闲状态。出门时，状态相反。达到计量人数的目的。同时，对出发时间进项检测，当一号触发50ms后二号还没触发则认为该同学未进入教室，而是转身出去了。有效减少了误触发的次数，加强了统计精确程度。

3.3 温湿度和CO2检测模块

温湿度检测采用DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，集成有专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器内置有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个8位单片机相连接。通过CO2传感器感知环境中CO2的浓度，从而开启排风系统加大或降低通风换气的速度，同时可以感知烟雾浓度并及时通风换气，保持教室空气清新。系统温度、湿度和CO2检测与调理电路如图4所示。

4 系统软件设计

4.1 主控制系统的设计

控制器通过以太网与分控制连接，将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并对运行程序进行有效监视等。其控制程序流程如图5所示。

4.2 教室智能照明系统软件设计

根据系统的要求教室智能照明软件流程如图6所示。

图4 系统温湿度和CO2检测与调理电路

图5 主控制系统软件流程图

图6 教室智能照明软件流程

单片机接收环境光强度检测器输出的光强信号和热释电红外传感器输出的人体存在信号，当检测到教室内照度X＞300lux时，所有灯都保持关闭的状态；检测教室内照度X＜300lux时，若教室没有人，所有灯都关闭；若某个区域有人则分区域开灯。

4.3 教室智能门窗控制系统软件设计

根据教室智能门窗控制系统的要求其软件流程如图7所示。

4.4 数据的传输

通信网络是保证整个智能教室控制系统正常运转的关键，所有的教室检测控制单元连接在通讯网络的平台上，最终与中央计算机相连。系统利用控制单元连接转换器将RS－232转换为RS－485总线形式，然后将RS－485总线连接 Wi－Fi模块，最终通过Wi－Fi模块将RS－485总线信号转换为 Wi－Fi信号发布给上位机，上位机收Wi－Fi信号并利用软件将Wi－Fi信号与虚拟串口连接。

图7 教室智能门窗控制系统软件流程图

5 结语

为了有效利用教室灯光、节约能源和调节学习环境，根据学校教室照明的特点，设计了基于单片机的教室节能与智能化控制系统。该系统主要由主控制器部分、分控制部分和通信部分组成。分控制采用单片机，可以对照度、红外、温湿度和CO2进行检测，实时的控制教室中的灯光、窗户和通风电机的工作状态，达到节能和调节环境的需要。调试结果证明，该系统具有很好的人机交互界面，能对教室灯光、温湿度和CO2的浓度进行智能控制，且电路简单，成本低，节约能源，可移植性好。主控制器采用上位机对分控制器进行控制以及储存信息数据。系统采用单片机和数据库相结合的技术方案，实现了教室灯光和空气质量的节能控制，为智能化教室的未来发展提供了一种技术思路。

［1］ 姚传安 .基于Modem的远程温湿度传感器系统的设计 ［J］.仪表技术与传感器，2007，10（3）：32－34.

［2］ 李世振，李浙昆，张文斌 .智能型教室灯光控制系统研究与实现 ［J］.微计算机信息，2011，（4）：30－32.

［3］ 王伸远，孙钦杰，苏雨 .基于智能化控制的节能建筑的发展分析 ［J］.四川建材，2014，40（2）：16－17.

［4］ 骆立俊 罗旭刚 .一种家用电器的低碳节能与智能化设计与实现 ［J］.科技视界，2012，22（8）：47－48.

［5］ 张壹，张栩嘉，田焱 .智能照明控制系统的设计与实现 ［J］.电子设计工程，2012，20（24）：31－34.