基于智能传感器检测的智慧校园节能减排的系统研究

赖骏芪，莫秀英

（广州华商职业学院，广东广州，511300）

0 引言

全球气候的变化使得越来越多国家关注温室气体对于气候的影响，并开始致力于碳减排。节能减排主要在于节省用电，节约1 度电可以减少0.997 千克二氧化碳。2022 年3月30 日，广东省发展改革委发出关于加强广东省全社会节约用电管理的通知，通知要求，全省各级党政机关、事业单位等公共机构要率先垂范，带头践行绿色节能办公，做好办公设备科学用电、节约用电管理。

校园是学校和教职工工作和生活的区域，校园的电耗主要集中在三个方面，即照明设施使用、计算机使用和空调使用。针对人走后，教室的照明设施、计算机和空调依然开着造成浪费的情况，提出一款基于智能传感器检测的智慧校园节能减排设计方案，配备毫米波人体检测模块，监测教室是否有人在，没人在可以实现关掉所有设备，包括空调、灯和计算机等动作；配备电量计量模块，可以监测每个教室用电情况，如电压、电流、二氧化碳排量等信息；配备温湿度模块，监测教室的温湿度；配备门禁控制模块，实现人走门关的功能。

1 总体设计方案

（1）智能终端交互界面，可实现传感器的数据交换，将MR5G21 人体存在检测模块、温湿度检测模块、电量计量模块和门禁控制模块的数据显示出来，便于人机交互。并具备语音、WiFi 联网、扩展sd 卡、云端通信能力等多功能，支持 FOTA 功能，便于远程维护升级。

图1 系统设计框图

（2）MR5G21 人体存在检测模块，具备人体存在自动检测功能，可实现人走自动关闭设备的功能，配合门禁控制器，实现关门动作，从而节省用电，减少楼管的工作，节约了人力和物力。

（3）温湿度检测模块，可实现监控室内温湿度的数据。

（4）电量计量模块，测量电压、电流、功率、功率因素、频率、二氧化碳排量等数据，监测每间教室的用电情况。

（5）门禁控制模块，可以配合MR5G21 人体存在检测模块实现自动关门动作，或者配合智能终端交互界面实现手动关门开门动作。

2 设计方案

整个智能传感器检测的智慧校园节能减排设计方案布局如图2 所示，智能传感器安装在教室顶部，智能终端交互面板安装在教室门口，面板上可显示的信息如下：教室的温湿度；电量计量情况，如当前的电流、电压、功率、二氧化碳排量等；通过MR5G21 人体存在检测模块检测是否有人在，从而实现照明、计算机、空调和门禁的自动控制。

系统的设计图如图3 所示，系统的数据控制通过智能终端交互面板控制，该交互面板具有语音、WiFi 联网、扩展sd 卡等多功能。MR5G21 人体存在检测模块用于人体检测；电量计量模块用于测量教室的电压、电流、有功功率、二氧化碳排量等信息；温湿度模块用于检测该教室的温度和湿度大小；门禁控制模块，可实现以下功能：读取门禁继电器状态、设置门禁继电器状态、消防联动等。所有模块之间的通讯使用Modbus485 通讯协议。

当然，如果仅仅是对着条条框框进行讲解，学生认识还不够深刻.技术人员一般会举几个近期发生的实例讲给学生们听，收效明显，提高了学生的重视程度.另外，技术人员也会通过多媒体的形式讲解安全常识.这些多媒体安全宣传片给学生带来极大的震憾，安全警示牢记于心.

图3 系统设计图

■2.1 智能终端交互面板

智能终端交互面板选择上海睿赛德电子科技有限公司基于柿饼 UI 开发的一款显示屏板卡，用于提供 IoT、智能家居、消费电子等领域的屏幕开发解决方案。尺寸小巧，功能强悍，支持丰富的外设通讯接口，可外接传感器或其他主控单元，支持丰富的网络协议和音视频播放，此外，支持FOTA 功能，便于远程维护升级。

■2.2 MR5G21 人体存在检测模块

MR5G21 人体存在检测模块向检测区域发射5.8GHz 的FMCW 及CW 无线电波，并接收区域内的所有运动、微弱运动的目标反射的无线电波，由模块的微波电路转换为差频电信号，然后根据线性调频连 续波目标调制原理，经高性能数字信号识别算法处理，分析区域内是否有微动目标和运动目标。站着不动、蹲着不动、坐着不动等静止的人体，由于呼吸会引起胸腔及身体其他部位的微弱起伏运动，MR5G21 能以极高灵敏度可靠地检测这类微弱运动，从而感知区域内是否有人或无人存在。

同时，MR5G21 为行业首次引入多目标距离测量技术，解决微波穿墙和距离边界模糊的行业难题。比设置能量阈值或距离百分比的距离控制方案，MR5G21 的距离、区域控制更加可靠、稳定、一致性强，检测范围如图5 所示。

图5 检测范围

图6 温湿度传感器模块

图7 IM1266模块引脚图

■2.3 温湿度检测模块

采用工业级芯片，高精度进口SHT20 温度传感器，具有优异可靠性、高精度、互换性，兼容标准的工业Modbu 协议，可实现自动输出温湿度。具备以下功能：

（1）温湿度寄存器模块不支持修改波特率；

（2）读输入寄存器：【温度】0x0001 【湿度】0x0002；

（3）读写从机地址：【从机地址】0x0101。

■2.4 电量计量模块

电量计量模块使用IM1266 单相交直流自适应电能计量模块，该模块可准确测量测量回路中交流或直流电参数而无需更换模块，准确度优于国家1 级标准；其可以测量电压、电流、功率、功率因素、频率等电气数据；通过相应接口方便和其他单片机、ARM 连接实现自动化数据采集及监控功能。

■2.5 门禁控制模块

门禁继电器支持Modbus 协议进行操作控制，从机地址默认0xB3，支持线圈寄存器读/写和支持保持寄存器读写。具备以下功能：

（1）读取门禁继电器状态（功能码0x01）；

（2）设置门禁继电器状态为低电平（功能码0x05）；

（3）设置门禁继电器状态为高电平（功能码0x05）；

（4）消防联动。

■2.6 Modbus 通讯协议

整个系统数据交换使用Modbus 协议，默认9600 波特率，8 位数据，无奇偶校验，1 位数据停止位。出厂默认从机地址：温湿度0xB1，电量计0xB2，门禁0xB3，毫米波模块：0x41（字符’A）。

3 软件实现

软件设计流程图如图8 所示。

图8 软件设计流程图

4 测试结果

■4.1 毫米波测试

采用毫米波检测技术，可以检测是否人在，可以实现人走所有设备关的功能，节省了用电，减少楼管的工作。从图9 中可以看出毫米波感应为没人，门禁的状态为关闭，还可以检测光照度。

图9 毫米波检测结果

■4.2 电能计量测试

采用电能计量检测技术，实时测量电压、电流、功率、功率因素、频率、碳排放量等数据信息，碳排量是当今社会所关注的重要问题。

图10 电量显示和温湿度显示界面

■4.3 主界面显示

采用智能终端交换界面，可实现传感器的数据交换，具备语音、WiFi 联网、扩展sd 卡等多功能，支持 FOTA 功能，便于远程维护升级。

图11 主界面

5 总结

节能减排可以帮助学校节约了用电成本，同时减少二氧化碳气体的排放，有利于环境的美化，有助于学生的呼吸健康；整套设备智能化设计，节省用电的同时，减少楼管的工作，有助于校园的智能化管理，打造低碳智慧校园。

节能减排贯彻落实广东省节约用电的科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路，是维护中华民族长远利益的必然要求。因此，节能减排是一项功在当代，利在千秋的事业，有助于我国经济的可持续性发展。