共享学习空间绿色智能控制系统设计

金雪莉，魏梦颖，伍飞宇，李俊娟，周群玲，陈梓浩

（广州番禺职业技术学院 建筑工程学院，广东 广州 511483）

0 引言

近年来，基于开放式教学理念，我国不少高校在图书馆、实训楼和宿舍生活区规划建造共享学习空间，旨在让学生彼此合作互相交流。相关调研发现：部分共享学习空间环境较差，不能满足学生需求，空间使用频率低；部分共享学习空间出现硕大的空间使用人数少甚至无人，能耗大的情况[1-3]。因此，控制室内环境设备，提升共享学习空间的室内环境舒适度，吸引更多学生前来，同时智能化控制设计，降低空间能耗，就成为共享学习空间发展面临的最大问题。

1 智能控制系统设计

1.1 系统功能分析

实现共享学习空间室内环境舒适度和智能化控制，应考虑到以下功能：①对室内外环境参数进行实时监测，为环境控制设备的控制策略提供更准确的数据支持；②将各种终端设备、控制设备和输入设备接入控制平台，配套具有运算和发出指令的功能的操作系统，实现通过手机或电脑对各种终端设备进行控制，智能化地协调设备动作；③基于健康生活理念，增加室内二氧化碳浓度监测，完善系统控制策略；④针对部分共享空间使用频率较低，考虑降低空间能耗，个性化定制节能控制模块。

1.2 系统基本结构

控制系统由数据管理、逻辑控制和终端执行三部分组成。

数据管理模块负责数据采集、分析和存储，主要由上位机管理系统和外部数据库（MUSQL）组成，通过数据服务器配合上位机程序完成相应的展示及逻辑控制功能。

逻辑控制模块负责终端设备的开启关闭功能，主要由可编辑逻辑控制（PLC）完成。

终端执行模块主要包括窗户、空调、风扇、灯光等终端设备的动作执行，执行命令主要由PLC控制器和上位机软件完成发送，具体系统结构如图1所示。

图1 智能控制系统结构图

2 系统硬件设计

设备系统共9个子系统，各子系统独立又统一，可以单独对某一子系统进行调节，也可受总控制平台管理。

2.1 LED显示系统

整个系统显示通过1台55寸8K液晶电视实现，服务器和大屏通过HDMI接口对接实现声音图像展示。

2.2 人体监测系统

系统上位机软件通过控制PLC实现了各区域人体监测功能。

2.3 窗户控制系统

系统上位机软件通过控制PLC实现了各区域窗户的系统控制功能。

2.4 灯光控制系统

系统上位机软件通过控制PLC实现了各区域灯光的系统控制功能。

2.5 室外环境监测系统

包括室外温湿度、风速、光照照度。水浸等采集，以上设备均通过RS485通信接口和服务器连接，上位机数据通信通过Modbus-RTU协议实现，可实现相关监测参数的数据监测功能。

2.6 室内环境监测系统

包括室内温湿度、光照照度。CO2浓度等采集，以上设备均通过RS485通信接口和服务器连接，上位机数据通信通过Modbus-RTU协议实现，可实现相关监测参数的数据监测功能。

2.7 空调控制系统

电脑上机系统和红外空调控制器通过Modbus-RTU通信，实现对制冷、制热开关机及温度调节控制。

2.8 电扇控制系统

系统上位机软件通过控制PLC实现了各区域风扇的系统控制。

2.9 人流计数系统

通过RS485通信接口和服务器连接，上位机数据通信通过Modbus-RTU协议实现。可实现进入人数和离开人数的计数功能。

3 系统软件实现

软件平台对应用场景进行了模式化设计，以提升控制质量，满足不同环境情况下的需求，具体细化为以下3个模式：

3.1 界面手动模式

当需要调整系统设定的环境值时，或者出现应急管理情况时，可以选择界面手动模式。该模式是考虑到初期系统环境设定参数不够准确，如若出现环境需求未满足的情况或是系统、部分设备出现连接问题时使用，该模式设定任何情况下都可以使用。

3.2 舒适模式

以热舒适为目标设定系统最优环境参数值和控制流程[4]，系统开启后，可根据室内外温度T内、T外和CO2浓度监测值自动调节环境控制设备，自动开启电扇，自动开启空调，光线不足时自动开启灯光，室内空气质量较差时自动开窗，实现控制系统的智能化管理。舒适模式控制流程如图2所示。

图2 舒适模式控制流程图

3.3 节能模式

部分共享学习空间使用频率较低，在某些时间段使用人数较少时，可开启节能模式。节能模式下将学习空间根据使用和空间分布的特点分区，进行分区环境控制，控制策略和舒适模式相同。当人流计数系统监测到有人进入时，系统设备才开启，并只开启部分区域，当人流监测到进入人数达到设定值时，再开启其他部分区域。当人体监测系统监测到部分区域无人并且超过10分钟，该部分区域环境设备自动关闭。该模式能降低环境设备能耗，实践双碳目标[5]。节能模式控制流程如图3所示。

图3 节能模式控制流程图

4 结语

本系统在分析共享学习空间环境及使用特点的基础上，从用户动态需求和节能降耗的角度出发进行系统设计，带来从控制平台到应用场景方案的整体创新，真正实现了环境控制智能化。