学校教学楼的电能节能控制系统分析

张金华

摘 要：大多数学校教学楼在使用电能过程中会出现电能资源严重浪费现象，需要制定相关系统对其电能节能进行有效的控制。文章通过对教学楼电能节能系统的原理与组成进行讲解，对系统的硬件与软件设计进行分析，并对系统功能进行测试，以便对该系统进行了解，进而推广应用。

关键词：教学楼；电能节能控制系统；推广

1 学校教学楼电能节能控制系统的原理与组成

学校教学楼电能节能控制系统主要是由教学楼主控中心单元、电井控制单元、教室节点单元与电能节能控制中心单元等几个方面组成。其中教学楼主控中心单元主要安装在每栋教学楼的配电房中，电井控制单元主要安装在每栋教学楼的配电电井中，教室节点单元主要安装在各个教室的供电入口处或者开关控制处，电能节能控制中心单元主要安装在校园的配电管理中心。在使用手机或PC进行远程操控的时候，需要借助GPRS或WiFi与电能节能控制中心连接与通信，借助通信模式可以与各个单元部分进行通信与连接。该系统的管理人员可以在PC或手机上安装客户端，对其进行输入指令与数据，选择通信方式对其进行控制与管理[1]。

2 电能节能控制系统硬件电路

2.1 教学楼主控制中心单元硬件设计

在该单元的硬件设计中，其主要是用于对教学楼的集中通电与断电，可以借助时钟与通信功能与微控制器连接，从而对教学楼的供电状态进行控制。在进行通信的时候，需要借助有线与无线通信来实现，在无线通信中可以借助网络技术对数据与指令进行传输。在有线通信中主要是借助芯片来完成[2]。

2.2 电井控制单元硬件设计

在电井控制单元中，主要是将主控制中心单元的控制信号转换为实施的装置，以便对教学楼的某个电井提供断电与供电作用。该硬件主要是由微控制器、固态继电器、通信与交流接触器组成。在通信中，需要分为有线与无线两种，其中有限与教学楼主控制中心单元进行通信，无线主要是跟节点单元进行通信[3]。另外，微控制器需要确保内部资源丰富，以便支持2.9～5.5 V的供电，具备较强的抗干扰能力，从而发挥出应有的效果。在固态继电器中，需要确保双向可控制硅的输出，开启零电压，关断零点六，隔离输入与输出回路，并将隔离耐压控制在2 500 V左右。微控制器主要是借助通信功能接入教学楼主控制中心与节点单元的指令，并通过断开控制交流接触器与固态继电器的控制对供电情况进行管理与控制[4]。

2.3 教室节点单元硬件设计

在对该硬件设备进行安装与改造的时候，需要采用单火线供电技术对其设计，其组成部分包括单火线开关电源、接线端、线性稳压、无线通信、微控制器、继电器驱动、多路继电器与检测保护模块等。其电压为220 V，从输入端接入到教师节点端，并分为两组，一组作为取电处理，将其接入到单火线开关电源与线性稳压中，并连接各个电路模块对其通电处理。另外一组需要通过多路继电器对室内用电设备通电处理[5]。在微控制器的选择中需要确保质量过关且价格相对较低的型号，确保其资源丰富，并属于目前流行的微处理器。在继电器中，控制线圈工作电压需要设置为12 V，带负载能力设置为10 A。在开关电源中，需要确保输入电压的范围宽广，确保电路简单，具备较小的空载电流，并且需要选择功耗较低且输出直流电压稳定的型号[6]。在线性稳压中，需要确保具有较高的输入直流电压（最高为40 V），并且可以将其转为低输出直流电压（3.3 V），并且选择的芯片需要具备超低静态电流。在无线通信中，需要具备较好的通信功能，能够快速获取各个传感器节点的数据，以便对其快速处理与控制。在触摸开关電路中需要采用电容式触摸开关，有效地延长使用时间，并降低功耗。在对开关电路进行检测的时候，需要进行人数检测与照度检测，在教室多个位置安装光照度传感器，以便节约电能。照度检测可以对传感器获取的数据进行控制，以便借助无线通信对其光照数据传送到节点单元微控制器中，并根据相关数据对其进行控制。在对教室用电设备进行管理的时候，需要增加人数检测，安装ID识别功能，对教室的人数进行检测，以便在人数离开教室后可以对用电设备进行控制，节约用电[7]。

2.4 电能节能控制中心单元硬件设计

在该硬件设计中，其主要设计目的是对教学楼的集中通电与断电时间进行控制，主要是借助通信、时钟、GSM等来完成。可以在该硬件设计中，添加日历时钟功能，以便将教学楼通电与断电时间数据存在其中，用户可以根据手机与PC在任意时间对教学楼的用电情况进行控制，设置完成后，电能节能系统控制中心可以单独工作。

3 电能节能控制系统软件

3.1 教学楼主控中心单元软件设计

在该单元软件设计的时候，需要设计显示与键盘驱动程序，并将无线与有线通信程序、时钟驱动程序等考虑在内，以便确保主控中心单元能够正常运行。

3.2 电井控制单元软件设计

在该单元软件设计的时候，需要确保硬件电路保持通电工作状态，以便对教学楼主控中心单元的指令进行实时接收，并需要对指令进行分析，从而对交流接触器进行控制，以便确保是否对该区域进行供电处理[8]。

3.3 教室节点单元软件设计

在该单元的软件设计过程中，主要是采用C语言编写对各个程序模块进行组成，模块包括光照度传感器驱动程序、无线通信程序、检测开关电路组网程序。ID读卡驱动程序、控制继电器程序与触摸开关检测程序等。需要对这些软件进行优化设计，以便确保教室节点单元能够发挥出最大作用。

3.4 电能节能控制中心单元软件设计

在该单元软件设计的时候，需要考虑到时钟驱动程序、US-ART驱动程序、无线通信程序与GSM驱动程序的设计。其可以通过PC与USB进行连接，并且可以借助安装的APP与GSM功能与手机连接，将每个教学楼的各个区域电井断电与通电需求进行合理控制，并通过主控中心单元的控制数据与状态和手机与PC端见连接，从而可以对教学楼的供电状态进行掌握与控制，并可以为学生查询自习室的开放情况提供条件。

4 电能节能系统功能测试

在学校教学楼电能节能控制系统设计完成之后，需要将其安装在教学楼中。学校管理人员需要对学校的断电与通电安排要求进行分析，以便可以将该系统与手机、PC连接，从而可以借助手机与PC端对教学楼的电能节能控制系统进行有效的管理与控制，合理安排教学楼的断电与通电时间，并对自习室的开放情况进行设置，从而可以将各项参数进行统计，并将其输入系统中，开启系统，对其进行试运行处理。可以借助调光灯对自然光照情况进行模拟，以便确保教室节点单元中的光传感器能够获取光照度，并对照明供电进行测试。其中光照强度在10～200 Lx的时候，允许供电处理，而光照强度在200～500 Lx的时候，则禁止供电。将电能节能控制系统应用在学校教学楼的用电设备中，可以取得较好的节能效果[9]。并且这种节能方法符合国家对新碱、扩建与改建建筑物一般照度标准值的规定。另外，在学校安装该系统中，对其单个控制单元的功耗情况进行测试，其中一个教室节点单元空载功耗为0.8 mA，带负载测试功耗为1.1 mA；而一个电井控制单元的空载测试功耗为7.6 mA，带负载功耗为14.2 mA；一个教学楼主控中心单元的空载功耗为6.3 mA；一个电能节能控制中心单元的空载功耗为9.4 mA。在教学楼安装该系统的时候，需要根据学校的实际情况来安装。例如，安装一个电能节能控制中心单元，5个主控中心单元，而每栋教学楼安装20个节点单元，可以根据上述功耗情况进行计算，在安装该系统之前与安装该系统之后，其每天需要消耗的电能差异较大，可以为学校节省巨大的电能，从而可以降低学校的电费成本，以便实现节能效果，并且可以节省学校的日常开支。

5 结语

通过对学校教学楼用电设备使用的情况进行分析，为了有效节省学校电能，可以在学校教学楼安装电能节能控制系统。在该系统中，通过借助通信技术、单火线技术与川农干起检测技术等，可以实现该系统的远程控制。通过对该系统的原理与组成进行分析，了解其硬件与软件设计原理，并对其功能进行检测与试运行处理，可以了解到该系统通过手机与PC端对学校教学楼的用电设备进行控制与管理，可以取得较好的节能效果。并且该系统安装简便、结构简单且性能较好，符合低碳环保与节能、可持续发展要求，能够为学校节省一部分人力、物理资源，该系统具有较好的市场应用前景。

[参考文献]

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[2]李玉环，秦文华，周子力，等.基于物联网技术的教学楼电器智能监控系统设计[J].计算机测量与控制，2016（2）：122-123.

[3]刘智旸，陈华丽.教室照明节能控制系统的智能化和可视化设计[J].智能计算机与应用，2014（2）：103-104.

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[5]张志，李琮琮，王平欣，等.智能电能表RS485接口设计方案综述[J].电测与仪表，2016（5）：124-125.

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