“基于光伏发电系统的智能寝室”设计

唐家兴++范彬

摘要：为了对大学生寝室进行更好人性化、智能化的改造随以及随着太阳能各类产品的不断改进和创新，光能、校园、寝室结合的一体化技术将日益成熟。提出了“基于光伏发电系统的智能寝室”。在智能化且信息化的当今社会，设计基于太阳能发电的智能寝室系统不但能够给大学生带来无限的帮助和欢乐，而且可以令他们的生活更为丰富和安全。通过结合实例，并对所做模型和计算方法进行了仿真分析，证明了模型的可行性和算法的有效性。

关键词：智能寝室；宿舍用电；光伏发电；太阳能

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0169-02

随着太阳能各类产品的不断改进和创新，光能、校园、寝室结合的一体化技术将日益成熟。在智能化且信息化的当今社会，设计基于太阳能发电的智能寝室系统不但能够给大学生带来无限的帮助和欢乐，而且可以令他们的生活更为丰富和安全。科学技术迅速发展，智能化系统现已普及到世界的每个角落，大学寝室的智能应用也早已问世。对大学生寝室进行智能化、人性化的改造是当前面临的一个主要问题。目前大学生寝室使用的电能，多为火力发电，需要燃烧煤炭等一次能源。太阳能作为一种清洁无污染的新能源，发展前景十分宽广，光伏发电已经成为全球发展最快的发电技术之一。如何基于光伏发电来构建智能寝室的供电系统是当前研究的热点问题之一。本项目将智能寝室的设计概念与光伏发电系统相结合，着重开展基于光伏发电系统的智能寝室系统的设计与研究，通过对此系统的整体设计以及智能系统电路的改进，能够实现将光能转化为电能并通过蓄电池储能，创建的“绿色”的智能寝室！智能寝室的设计概念与光伏智能寝室设计的概念大相径庭，本次所做的智能寝室系统是针对智能寝室的一些功能进行裁剪和压缩，以便适应寝室自动化控制的需求。这就像嵌入式系统与个人电脑的操作系统的区别。

1 倡导清洁能源，优化智能寝室

智能寝室（Smart Class room）以大学生寝室为平台，兼备建筑学、智能化、自动化等技术于一体的安全、高效、便利、舒适的寝室生活环境。智能化寝室的技术通过自定的网络协议，让网络系统中的各个设备都可以实现资源共享。我们努力做到其布线简单、功能贴心，扩展便捷并让被同学们广泛接受和应用。智能寝室不再是一幢被动的学生宿舍建筑，相反，成了帮助同学们尽量节省时间，利用时间的工具，同时使之更为舒适、安全、高效和节能。它可以通过互联网等信息通信技术，来实现对寝室用电器等的智能控制，使其能够不论距离的远近，按照人们的设定工作运行。以往的智能寝室系统现在主要围绕着“宿舍”来进行，然而对于广大学生来说，宿舍就是学生的“家”。同时保护环境，节约能源与我们身边每一个人都息息相关，我所设计的智能宿舍系统就是智能化控制学生宿舍的一套解决方案，为优化宿舍环境，环保节能而设计。光伏发电的投入因为它巨大的发展前景，将会成为智能寝室发展过程中的一个比较贴合实际的突破口，并对智能寝室发展具有重大意义。智能化控制与节能模块是智能寝室的两大特点。其中智能化控制包括电器设备的控制及数据采集、集中、远距离异地（ 通过电话或Internet）的监视、遥控等。我们希望将智能化控制方案应用到学生寝室中，提高学生的生活质量。进入宿舍寝室时进门刷卡，屋子内的灯光自动开启；想学习了，自动调节出最健康的灯光色温；通过户外与室内传感器数据的比较，来实现室内温度自动化控制。比如当户外传感器检测到阴天下雨时，数据将通过天线传给室内传感器，设备就会提高电灯的亮度。如果夏天室内空气闷热干燥，可启动加湿器，还可将窗户自动打开，离开宿舍，可自动开启安防系统，实现防火、防盗等功能；在户外的时候，只需要你轻点手机，就可以对寝室实进实时查看与控制，还可接收寝室通过互联网推送的信息。

2 功能特点

（ 1） 通过光伏发电为寝室进行电能供应。

（ 2） 可实时检测电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等电力参数。

（ 3） 支持对 3 个输出回路（ 如照明、插座、空调） 作独立控制。

（ 4） 支持预付费控制、负载识别控制、时间控制、强制控制等 4 种逻辑控制功能。

（ 5） 可查询各种日志记录。

（ 6） 累加计量总用电量，递减计量剩余电量。

3 硬件设施布控

此智能寝室系统采用了“多源”控制，有“Web网页远程控制”、“按键控制”、“系统自动控制”，多种控制相结合，以便适应同学们便捷，高质量的生活需求。“Web网页远程控制”，是指在离开服务器以后，通过互联网登陆运行在特定服务器上的网站，然后再去查看，管理当前设备的运行；“按键控制”，只需要点击网页上相对应的按钮，便能够轻轻松松的控制家中的设备机组，打开或关闭，以致达到远程操控的功能。“系统自动控制”是指系统的核心部分能够根据外界传感器所收集的环境信息（如湿度，温度等）与个人用户设定的能够使人可以较为舒适的环境作比较，再根据对比结果对相应的设备进行调节控制，以保证舒适值，来为用户提供一个良好的恒温环境。

3.1 继电装置模块

继电器是用较小的电流，控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。它是一种电子控制器件，既具有控制系统（又称输入回路）又有被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中。

3.2 温度传感器装置模块

本温度采集装置采用了DS18B20温度传感器，它的特点如下： 在与微处理器连接时仅需要一条口线便可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3.3 湿度控制装置模块

例如由MCGS组态软件进行分析由温度传感器采集当前的温度信息，再送到采集模块中进行转换，通过与预设值进行对比，决定加湿器的水阀开度，使室内湿度保持在一个宜人且恒定的范围。

3.4 光伏发电系统

应用光伏新能源技术为智能寝室提供可用的电能，户外传感器安装太阳能（单晶硅or多晶硅）板供电，即用太阳能板发电连接蓄电池进行储能，环保，且节省电能。优先选用能源电池为寝室提供电能。合理限制用电使用量。同时设计了室内、户外两个传感器。检测室内外空气质量。

4 软件设计

不断完善智能寝室的功能。开放APP，植入手机客户端，实现智能人性化，比如“一键关闭”功能。当你启用这个，智能寝室将触发30秒的延时，同时帮你关闭正在运行的电器并打开寝室门，这将为你离开寝室提供充足的时间，延时结束后，防盗系统将自动开启等。主程序流程主程序作根据时间片及事件的触发条件来管理各个不同的功能模块。

4.1负载限制与识别法

当学生使用违规电器（过负载用电设备）时，易发生电器火灾等安全事故，对学生的生命和财产安全造成影响； 当学生使用过多的常规电器，但累加用电负荷过高，同样会造成安全事故。因此，该管理终端从最大功率限制和恶性负载识别两方面需求出发来确定负载控制结果，以保证寝室的用电安全，防止恶性事件发生。最大功率限制的方法不难，假如所有负载的功率且超过总功率最大值，就可以判断为功率超额，然后切断宿舍供电回路。对于恶性负载的判断，假如也采取判断总功率的方法，便不能对其准确识别。测试纯阻性（小功率）恶性负载的工作特性时，会发现它的功率因数偏高。在宿舍总用电回路总功率超额时，功率因数增量超过最大设定值，则情况为恶性负载接入。如果直接测试宿舍总供电回路，功率因数不会太高，所以设计终端采用“增量判断法”，即用电回路功率因数增量来进行实时检测，作为依据以判断是否为恶性负载。

4.2逻辑控制模块

4.2.1负载控制

可以识别恶性负载，并快速地作出响应，终端为宿舍用电总回路提供负载控制。

4.2.2强制控制

有时，高校在有大型活动需要用电安排时，需要统一对各宿舍回路做的断送电处理，这一情况便通过强制控制功能实现；高校宿舍暑假假期时，有部分宿舍会安排给留校学生和相关管理人员，这些宿舍通常是没有负载、时间限制且不切断供电，根据此种情况，将开启强制控制功能，使其他的控制功能暂时关闭；另外由于高校学生较多，为统一安排作息，需统一按时通/断电。通常6： 00 ～ 7： 30 为学生早晨起床洗漱时间，应保持照明系统开放并将插座回路处于通电状态； 周末 8： 00 ～ 23： 00，学生休息不上课，大多数时间都会留在宿舍，此时应保证所有相关回路处于供电状态。方便学校管理部门根据实际情况在不同的时刻控制不同的回路通/断电，系统终端为插座、照明、空调回路均提供两套独立的控制时表，以满足定时控制管理的相关要求。

4.2.3模式控制

将所有电器集中在一起控制，为避免使系统的操作变得复杂，其中的模式无需过多，在具体的设计中只需将几种常用的情况（场景）设为固定的模式控制便可以，此设计中有自动（手动）模式，季节模式，其中的自动（手动）模式是由MCGS组态软件根据预设传感器自动控制空调机组来实现的；季节模式是根据不同的气象环境通过室内外温度传感器传输的数据进行对比，来设置室内的温、湿度；冷、热水机组是通冰水还是通热水，皆可设定。在硬件上，网关、室内传感器包、室外传感器包、床 （下转第176页）

（上接第170页）

位节点、调光灯、无线插排成为组成部分。利用单片机的技术实现对门、窗、灯、箱柜等家具的智能控制。开发板与各部分的对接，组建网络，外观设计、建模及打样。

4.2.4预付费控制

终端配合远程预付费售电管理系统可实现先交费后用电的功能。学生可根据宿舍用电情况自行充值，以保证宿舍正常用电。当学生用完充值的电能后，终端会自行切除供电。学生若及时充值，可及时恢复供电。

5 结束语

该学生宿舍应用光伏发电提供电能为基础，能够有效节约电能，用电管理终端具备控制、监测、计量等等功能，可以降低学校等管理方电费收取难度的问题，提高校方工作效率，实现优化运行，还可以为用户的合理管理提供重要数据，方便校方管理，让学生寝室环境变得智能、舒适、安逸。

参考文献：

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