基于校园一卡通的开放实验室节能系统研究

余善恩, 李 真, 陈张平, 孙伟华

(杭州电子科技大学 自动化学院, 浙江 杭州 310018)

基于校园一卡通的开放实验室节能系统研究

余善恩, 李 真, 陈张平, 孙伟华

(杭州电子科技大学 自动化学院, 浙江 杭州 310018)

针对当前校园中普遍存在的开放实验室无人但灯无法及时关闭的问题,提出了基于校园一卡通的实验室节能系统这一方案。该方案基于技术成熟并已广泛应用的校园一卡通系统,结合了包括以太网、2.4G RF无线通信等技术,同时开发了上位机软件进行数据库管理,实现了一个完整的实验室节能系统。该系统通过检测有无一卡通,进而控制实验室总电源的通断,有效地解决了无人亮灯问题,同时具有使用简单、改造成本低等特点。

校园一卡通； 开放实验室； 实验室节能系统

当前国内很多高校存在着白天采光良好,但实验室里却灯光通明的现象,也存在着实验室人走后忘记关灯的现象。这些空亮着的灯一直等到校园值班人员来关门的时候才被关掉,极大地浪费了电能。

灯光控制不是一个新的课题,当前国内外都有类似的研究,根据相关文献检索及实际调查总结得出,目前实验室灯光控制系统主要分为以下几类:通过检测室内外的光强来确定是否要开灯[1]；设计灯光自动控制系统通过检测进出教室的人数来确定教室里是否有人,进而控制灯的开关[2]；结合热释电传感器及光敏传感器,对教室进行分区控制,此类方法系统成本及布线难度较大[3]；通过摄像头采集数据,再进行分析处理来识别有无人员活动,此种方案在识别准确性及亮度适应性上有一定的缺陷[4-5]；对教室亮灯区域进行细分,单个照明灯独立控制,此方案控制复杂,操作不便[6-7]；还有一种是基于电力载波通信的控制网络构建,但通信范围有限[8]。综上所述,目前的教室灯光控制系统,都存在着自动控制及手动控制切换时操作复杂,或其方案本身在某种程度上都不能很好地解决“亮灯浪费”问题。

随着物联网技术的发展,各类高校基本上都配备了校园一卡通系统。校园一卡通系统大大方便了学校对师生、教职工的工作、学习、生活等各方面的管理。基于此平台,也可以比较方便地扩展实现其他功能,比如安防、监控、节能等。结合校园一卡通系统及物联网技术,将其应用于实验室灯光控制,设计了一个智能的实验室节能系统。实验室的灯光控制电源受控于有无一卡通,实现了人在卡在电通,人不在卡不在则电断的功能。通过这样一种手段,可以有效解决目前存在的“亮灯浪费”问题,减少电能浪费,提高对节约用电的认识,降低学校的能源消耗。

1 系统架构

系统由信息中心、分基站、分控节点组成。信息中心负责管理在校学生及教职工的一卡通信息,并可通过网络更新到各分基站,分基站负责将来自信息中心的信息更新到其所辖的各实验室分控节点,各分控节点根据其是否检测到有效一卡通及预设方案进行实验室灯光总闸的开合。

校园信息中心与分基站间的信息交互方式如图1所示。信息中心负责校园一卡通信息的管理,同时,可以将其管理的一卡通信息通过网络通信的方式更新到各分基站(教学楼基站)。信息中心与分基站采用网络通信的方式主要考虑到各教学楼分布相对分散,距离也较远,但各楼基本上都与信息中心直接有网络通信接口,采用网络通信方式可以保证传输的可靠性,也可以充分利用原有的通信接口资源。

图1 信息中心与分基站的信息交互

教学楼基站与各实验室分控节点之间的信息交互方式如图2所示。分基站通过无线通信方式将来自信息中心的一卡通信息更新到各分控节点。采用无线通信方式主要考虑到在同一教学楼内距离有限,无线通信方式可以保证数据的有效传输,且布置灵活,可以最大限度地减少各实验室的线路改造工作,降低成本。

图2 分基站与分控节点的信息交互

2 硬件设计

2.1 分基站设计

分基站的结构如图3所示,主要由电源模块、微控制器、无线模块构成。选用的微控制器自带了网络模块,可以实现以太网通信与信息中心进行信息传输；无线模块则用于与分控节点交互数据。

图3 分基站结构图

微控制器选用了TI公司的基于ARM CORTEX-M3内核的LM3S8962。LM3S8962的以太网控制器遵循IEEE802.3规范,完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准,含有100BASE-TX扰码器和解扰器,支持全功能的自协商协议,可工作在多种模式下,而且可编程MAC地址,用户可配置中断,因此采用LM3S8962作为以太网微控制器的开发是一个性价比很高的选择。

由于信息中心与各分基站间的数据通信量不大,且属于校内网络,通信稳定可靠,所以采用了UDP网络通信协议,实现相对简单,通信效率高,满足系统要求。

无线模块采用CC1101实现,集成了一个软件可编程的调制解调器,支持2-FSK、GFSK和MSK调制格式,数据传输率最高可达500Kbps。同时,具有高效能的功率输出,能量集中、信号传输远,提高了邻道功率(ACP)的性能,改善了近距离信号堵塞现象。系统依靠433MHz,具有穿透性强、通信距离远等优点,完全可以满足教学楼内基站与各分控节点间的通信要求。

2.2 分控节点设计

分控节点的结构如图4所示,主要由读卡模块、电源模块、微控制器、语音模块、电源开关、无线模块、传感模块等构成。读卡模块可以读取置于其上的一卡通信息；传感模块可以检测环境亮度,结合时钟模块可以解决“白天亮灯”问题；语音模块用于当一卡通被取走后可以语音提醒其他人进行续卡操作；电源开关负责整个实验室的灯光电源的开合；存储模块用于存储一卡通信息,保证了在通信异常的情况下单机仍可正常控制灯的开关；无线模块则实现与分基站间的数据交互。

图4 分控节点结构图

节点中微控制器选用STC12C5A系列单片机,该系列单片机为增强型51系列单片机,价格便宜、功能强大,支持串口通信,下载调试方便。在实现了系统功能的同时,达到了最佳的性价比[9]。

语音模块采用WT588D语音芯片,是一款功能强大的可重复擦除的语音单片机芯片,支持在线下载及串口通信。同时支持PWM和DAC输出方式,PWM输出可直接推动0.5W/8Ω的扬声器,DAC输出外接功放,音质好。本系统中采用了串口控制,PWM输出方式[10]。

读卡模块使用CY-14443A读写模块。CY-14443A系列射频读写模块采用基于ISO14443 标准的非接触式读卡机专用芯片。内部高度集成了模拟调制解调电路,只需少量外围电路即可工作,支持UART接口,适用于ISO14443 标准下身份识别系统的读卡器的应用。本系统中,应用UART接口,实现了对一卡通信息的识别。 存储模块采用了电存储器FM25VN10,具有读写速度快,数据掉电保护等功能[11],符合功能需求；传感模块包括亮度检测、人体检测等,用于配合节能控制。

3 软件设计

信息中心的一卡通信息由原一卡通系统进行维护；本系统中在Visual Studio环境下开发了一个后台运行应用程序[12],当有卡信息更新时(如新生入学、老生离校等),读取更新过的信息。通过Internet将信息更新到各教学楼的分基站,分基站再将信息通过RF通信方式更新到各教室的分控节点。信息中心软件主要涉及到数据库访问、winSo ket编程等技术[13]。

分控节点安装于各教室,其通过检测是否有有效一卡通插入,结合预设的控制方案决定实验室灯光电源总开关的分、合。分控节点的软件流程如图5所示。

当持卡者在允许时间段内进入实验室时,将一卡通插入实验室的读卡机中时,分控节点读取一卡通信息,判断是否有效；若有效则打开实验室电源总开关,否则不做处理。而当卡拿掉后则产生语音提示,提醒其他人进行续卡操作；若无人续卡则实验室电源在延时几分钟后自动关闭。分控节点同时可以根据总控制中心的设置,可限定亮灯的时间段或亮灯条件,比如在深夜和一些特殊时间段不允许亮灯,在白天采光良好的情况下自动断电等[14]。

4 结论

该系统未采用主要依靠人体检测、亮度检测的传统方案为主要研究思路,而只是把它们当作一个辅助手段,解决了识别不准确、控制闪烁等问题；同时,依托于以太网及无线通信技术,最大限度地减少了系统的安装维护成本。该系统已在校内的几个实验室试用,效果良好,其不仅能应用于学校,同时也能应用于企事业单位及工厂,在节能减排方面有较高的推广价值。

References)

[1] 黄界. 基于STC12C4052AD单片机的教室灯光控制系统设计[J].电子技术,2010(7):37-38.

[2] 覃海益. 教室灯光自动控制系统[J].电子科技,2011,24(10):22-23.

[3] 陈九江,吴桐,王术,孙言. 教室照明系统的智能控制[J].黑龙江大学自然科学学报,2006,23(3):314-316.

[4] 周瑶. 高校教室灯光节能控制系统的设计[D].郑州：郑州大学,2010.

[5] 聂雄,黄斌全,陈华. 一种教室节能照明系统的人员识别算法[J].视频应用与工程,2011,35(15):15-45.

[6] 冯凌杰,刘应波,姜代平. 基于凌阳单片机的多功能教室灯光控制系统[J].软件设计开发,2009,5(25):7142-7143.

[7] 陈晶. 基于单片机的教室灯光自动控制器的研究[D].福州：福建农林大学,2010.

[8] 孙宗智. 基于无线及电力载波技术的分布式智能灯光控制系统[D].济南：山东建筑大学,2010.

[9] 彭铁牛,舒望. 基于STC12C5201AD系列的汽车单片机实验平台的研制[J].黑龙江科技信息,2014(20)：140.

[10] 华成英,童诗白,清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

[11] 罗影,熊大红,罗益荣. 信息化背景下校园一卡通研究与实践[J].农业图书情报学刊，2013(7):64-66.

[12] 王永明. 校园一卡通系统的基础平台建设和应用功能分析[J].智能建筑与城市信息，2009(1):34-37.

[13] 张宁. 校园一卡通系统的设计和安全性研究[D]. 天津：天津大学,2007.

[14] 庞金香. 中国石油大学校园一卡通业务调查与研究[J].中国教育信息化，2008(9):21-23.

Research on energy-saving system for open laboratory based on campus card

Yu Shanen, Li Zhen, Chen Zhangping, Sun Weihua

(College of Automation,Hangzhou University of Electronic Science and Technology,Hangzhou 310018,China)

Regarding the common problem on university campus that the lights in open laboratories can’t be switched off timely without anyone in, the scheme for the laboratory energy-saving system based on the campus card is proposed. This scheme is dependent on the technologically-matured and widely-used campus card system and combines the wireless communication technology of Ethernet and 2.4G RF. At the same time, the upper computer software for the database management is developed, and a whole laboratory energy-saving system is completed. Through the detection of presence of the campus card, this system can control the on-off switch of the total power supply in the laboratories so as to effectively solve the problem of wasted lighting. Meanwhile, this system has the characteristics of the simple use, low cost, etc.

campus card； open laboratory； laboratory energy-saving system

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.066

2016-06-15 修改日期：2016-07-25

2012年度浙江省教育技术研究规划课题(JB040)；杭州电子科技大学2015年高等教育研究项目(SYZX201506)

余善恩(1982—),男,浙江天台, 硕士,实验师,主要从事实验室管理与实验教学.

E-mail：lz865048840@163.com

TP399

: B

: 1002-4956(2016)12-0263-03