校园教室智能控制系统设计与应用

福州大学物理与信息工程学院 黄秋情 岳宗笛 黄俊斌 陈 新

0 引言

随着工业化高速发展，能源问题已成为人们关注的焦点。能源浪费除经济损失外，还破坏了环境。在校园里，灯光、风扇数量多，工作时间长，用电浪费现象显著，且人力及管理成本高。调查资料显示，针对灯光或者风扇节能控制的设计已普遍存在，如苏州市美术馆新馆采用智能照明控制系统。还有一些地方，采用风扇智能控制系统，实现“温度高，风力大，温度低，风力弱”的性能。这些方案虽然在一定程度上实现了节能控制，仍不能实时控制节能；照明控制采用的是整体状态控制，风扇控制系统只注重转速和温度高低的关系，不能根据人流量进行智能操作。综上所述，这些系统若应用在校园节能上，并不能起到良好的效果。

本项目将两者进行创新整合，设计一组可以自动控制灯光和风扇的节能系统。该系统通过室内温度、光强、人数以及是否在正常工作时间段，通过光、热传感器等传入单片机进行系统处理。自动控制电灯和风扇在规定自然条件下的启动和关闭、在确定温度及人员多少的情况下控制风扇的转速、在规定时间以外电器全部关闭，最终达到节能减排和实现人性化管理的目的。

1 系统设计思路

综合教室电气设备开关状态的若干因素，本项目给出四个参数值：时间、温度、光线、人数；两个受控设施：电灯和风扇，其关系原理如图1所示。

由图1可知，当系统处于工作时间段、有人存在、光线较暗等情况下，灯光会自动打开。温度达到预设值，风扇自动开启。

图1 节能系统设计思路示意图

考虑到实时控制的需要，本项目的系统必须做到实时对信号的采集进行分析及处理。为此，简单的数字电路已无法满足需要。经过分析，我们采用单片机作为控制中心模块，将采集到的参数信息进行判断并运算，输出两个控制信号。系统需要三级结构，初步的架构如图2所示。

图2 单片机控制中心模块示意图

图2中，外界参数通过传感器转换为电信号，经数字电路判别后以高低电平的形式输入到单片机，单片机根据输入的各个参量综合时间等因素进行分析→输出控制信号→对受控设施进行控制。传感器实时对信号进行检测并送入单片机分析处理，可以保证对受控设施的实时控制。

2 分模块设计

2.1 信号采集模块

为实现教室不同区域的电灯和风扇独立控制，需在教室不同区域进行信号采集。因此，每一个信号采集点均需要装配传感器。如在类似矩形的教室中可以考虑在教室四个角落附近各装配传感器。若教室偏长，则两头和中间区域也需要装配。为此，我们也需要考虑到采集范围重叠和采集死角等问题。

针对信号采集，门限值的判定是关键。首先，温度和光照可以设定为到达或超过一个特定值时，判定为“真”，系统进行工作。但是热释电红外传感器可以改变比较电路的电压值来改变输出信号的高低。例如，某一特定的风扇和电灯，与之相匹配的热释电红外传感器只要检测到有人存在，则在满足其他参数的条件下可以开始工作，而其他风扇则需要调高比较电压数值，使得只有在较多人存在时才会输出高电平使得该区域内风扇工作。这样做的好处是：①满足了有人在且其他条件满足的情况下就开启一些电器设备；②当另一区域人不多时，电气设备不会开启，使得这部分人自动转移到已开启电器设备下；③当人数较多时，会开启其他区域电气设备。

2.2 数据分析处理模块

由于要对多个教室或一个教室的多个区域电器设施进行控制，而单片机引脚有限，我们不是将所有收集到的信息直接交给单片机处理，而是在外部就用数字电路将一些参数信息进行简单的逻辑运算。例如，将光敏采集到的信号与热释电红外传感器采集到的信号进行“逻辑与”运算，将输出值送入单片机，这样可以节约一半的管脚数量。另外，单片机作为定时系统起到决定工作时间段的作用，这一作用大大节约了教室晚自习后熄灯所耗费的人力物力，使得系统更趋向于人性化。

单片机作为数据分析模块，需综合数字电路传输来的参数信号及内部时钟信号，当且仅当输入参数满足条件且在工作时间段时输出开启控制信号，当条件不成立时则输出关闭控制信号。

2.3 电路控制模块

单片机输出的高低电平不足以驱动电灯、风扇等电机，为了克服这一问题，我们提出采用继电器的办法。继电器能够很好地被单片机驱动，并可以在高电压和高电流情况下工作，且输出端的高电压电流不会对控制端产生影响。基于以上构想，我们将控制信号输入继电器控制信号输入端，输出端直接与电机相连。当控制端不满足条件时，电机不会工作，单片机判断外部信号及时间等参数均满足条件时，输出控制信号将继电器开启，实现对电机的控制。

为简化电路，我们提出将一个区域内的电机并联后由一个继电器进行驱动，这样既不会很大程度上影响系统的智能化，也能节约相应成本。同理，考虑到多教室的控制且教室与教室间的环境参数大体相同时，我们可把控制信号扩展到另一间教室使用。

3 结论

采用单片机为控制器，用红外、光敏和温度传感系统来检测室内有无人员及室内温度，设计了一个智能风扇及照明控制系统。该系统可以根据室内的温度来实时自动控制风扇的开关及风扇的档位；根据室内的光线来控制灯管的照明；根据是否有人和人员分布来控制是否打开某一区域灯光及风扇的开关，能够达到智能控制和节能的目的，尤其适用于学校教室、图书馆、楼道照明灯场所。

该系统仍有需要改进的部分：首先，各信号采集模块稳定性不够高，较难在恶劣的环境下运行。为了达到更理想的效果，建议在信号采集模块上增加反馈机制，利用负反馈提高稳定性；其次，单片机接口较少，只能满足受控电器较少的情况，建议可以改用ARM芯片来设计；最后，如果要用于实际中，需要用PCB印刷电路板，更好地保证不会出现虚焊或电路不稳定等问题。

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