基于物联网的室内自适应节能系统

杨惜爱

摘要：室内自适应节能系统是以教室为平台，利用自动控制技术、传感器技术、网络通信技术将教室有关的设施集成，构建高效、节能的管理系统，提升室内的安全性、便利性，并实现环保节能的室内环境。首先，系统利用物联网技术对教室的温度、湿度、人流量等数据进行采集和整理，利用云服务使得系统支持PC端和移动端同步监测数据，最后对积累下来的数据进行分析，实时控制教室的设施。通过对该系统的研究，该系统能提高室内管理质量，减少能源的消耗，对物联网技术推进校园节能有重要的意义。

关键词：节能；物联网；智能教室；室内自适应；数据采集；数据分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0276-03

1基于物联网的室内自适应节能系统的意义

1.1 研究意义

随着科技的高速发展，能源短缺及供需矛盾所造成的能源危机成为世界性的能源问题。而能源浪费成为经济浪費和环境破坏的主要因素。根据国内教育设施水平的调查显示，学校教室的灯光、风扇、空调数量比较多，设备工作时间也较长，用电浪费现象也就明显增加了教育的成本。如果国家和学校投入大量人力管理供电方面，要付出巨大的成本。

为了加强校园节能管理，特别是空调、照明节电，降低学校经费开支，本项目结合智能和节能进行创新，搭建一款具有自动控制灯光、风扇、空调功能的室内自适应节能控制系统。本系统通过监测室内温度、湿度、光照强度、人流量等数据，通过传感器等传入单片机，进行算法处理，人性化地规定电灯、风扇、空调的启动和关闭，以及温度、人流量等情况控制空调度数的高低，并且在某一时间段内将电器全部关闭，从减排的角度实现节能，使校园达到人性化管理的目标。

1.2 利用物联网控制自适应节能系统的优势

该系统结合软硬件开发+互联网模式，实现电脑端+手机端等多方设备协同运行，保证服务的多样性；该系统面向的范围广，模式基本是基于全部的教室以及办公室等来做的，只有合适的场景都可以使用该软硬件系统；同时，系统的扩展性好，可以在系统的基础上，加上其他传感器，使得符合具体场景的需要；成熟的数据同步解决方案和内存优化管理方案，解决了同步数据库写入和多显示终端展示的问题；初步提出了人流量状态分析以及及时控制设备节能系统，为防止大量的设备在无人或者少人状态下全部开启而导致能源的浪费提供了良好的预防作用。

2 室内自适应节能系统的搭建

2.1 核心技术

2.1.1 系统核心框架

2.1.2 TCP/IP协议栈

本系统利用的通讯核心——TCP/IP 协议栈，是一系列网络协议的总和，是组成网络通信的核心骨架，它定义了传统的电子设备连入互联网的方法以及数据在它们之间进行传输的方法。 TCP/IP协议采用四层结构，分别是应用层、传输层、网络层和链路层。每一层都是通过呼叫其本身的下一层所提供的协议来完成自己的需求。

2.1.3 STM32F407VET6核心控制板

本系统使用STM32F407VET6 开发板作为核心控制板。开发版基于工作频率高达168 MHz的高性能ARM?Cortex?-M4 32位RISC内核，运算速度快且功耗低。STM32F407VET6集成了高速嵌入式存储器，闪存高达1MB，并且提供12位ADC、DAC、低功耗RTC、通用16位定时器、用于电机控制的PWM定时器、通用32位定时器等。STM32F407VET6在短时间内处理大量的数据，实现短时间与各个传感器进行交互。

2.2 服务器平台的搭建方案

本系统运用世界排行第一的Apache服务器。Apache服务器具有跨平台的功能和较高的安全性、稳定性。Apache服务器和PHP服务端脚本，以及MySQL数据库结合具有跨平台和可移植性强的特点。因此，Apache+PHP+MySQL搭配是本系统的最佳选择。

2.3 数据的采集

本系统采用2种传感器与STM32F407VET6核心控制板进行通讯。传感器收集的数据转化成电信号后，通过USR-C215 WiFi通讯模块上传到Apache服务器。这两种传感器分别为：

（1）DHT22温湿度传感器：测量系统周围空气中的温湿度数据；

（2）光敏传感器：采集系统周围的光强度数据。

2.4系统的数据交互

2.5 该系统的数据库设计

为了设计出最合适该系统的数据库模式，团队对本系统进行需求分析和逻辑设计。

本系统的数据库设计如下：

2.5.1 数据库1：user_db

2.5.2 数据库2：classroom_db

2.6 程序实现

STM32芯片为本系统的核心控制器。为了提高数据的采集和传输精准度，程序的设计严格遵循各个传感器的通讯协议，从而保证STM32核心控制板与各个传感器结合的性能。以温湿度传感器为例进行说明：

本系统采用的DHT22温湿度传感器是运用了单总线通信协议。单总线表示数据交互、控制都只通过一根数据线来完成，用户主机（MCU）通过三态端口或者漏极开路连接到该数据线。在一般情况下，单总线通过一个上拉电阻使总线空闲时保持高电平。双方利用单总线通讯传输协议，既能释放总线，使总线供其他设备使用，又能保证数据传输的精准性。

管理员可以通过登录PC端、手机端对教室的自适应节能系统进行一系列信息的实时监控，以满足不同用户的不同需求。

（1）PC端：PC端应用是运用了C# 搭建的操作平台，其功能的展示如图3-1和图3-2所示。

（2）手机app：运用Android开发手机端应用，其功能的展示如图4-1和图4-2所示。

（3）后台管理：运用PHP搭建后台管理系统，其功能的展示如图5-1和图5-2所示。

3 总结

本系统的开发基于物联网技术，为传统的教室、办公室和实验室等提供实时的数据监测，通过数据库分析技术从而控制设备的开关以及设备的调节，在很大程度上起到节约能源的作用。本团队运用传感器技术、PHP脚本技术、My SQL 、Android 、Java、C# 等技术的结合，从需求分析到系统结构设计，不断尝试、调试和优化，最终完成该项目。在今后的研究中，继续优化系统以及增加更多技术实现更多方便管理和节能的功能。

参考文献：

[1] 明日科技.PHP从入门到精通[M].3版.北京：清华大学出版社，2012.

[2] Andrew Troelse. C#与.NET 4高级程序设计[M]. 朱晔，译.北京：人民邮电出版社，2011.

[3] 高和蓓.响应式动态网站项目开发（jQuery+PHP+MySQL+Apache）[M].北京：电子工业出版社，2016.

[4] 赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[5] John Lewis，William Loftus. Java程序设计教程[M]. 张君施，刘丽丽，译.北京：电子工业出版社，2015.