基于物联网的教学楼照明自动控制系统研究

胡娅娅，李亚亚

(银川能源学院电力系，宁夏 银川 750105)

基于物联网的教学楼照明自动控制系统研究

胡娅娅，李亚亚

(银川能源学院电力系，宁夏 银川 750105)

目的 通过物联网技术改变传统的教学楼照明控制方式，结合传感器技术完成自动控制教学楼照明功能，实现照明系统节能的目的。方法 以高校教学楼为研究对象，通过光敏三极管来检测教室内光照度，从而判断是否需要开灯；通过热释电红外传感器采集教室内人数来确定所需开日光灯数；结合物联网通信技术来传递照明系统的信息，实现教学楼照明自动控制的同时，达到节能的目的。结果 对某高校传统的教学楼照明系统各时间段浪费使用日光灯数进行统计，平均每年浪费的电能至少可达8942.4 kW.h，造成能源的浪费，同时长期使用照明设备造成灯具的寿命减少。物联网技术采用短距离无线通信方式、以CC2530单片机为核心进行教学楼照明控制系统的设计，可以配合人工操作来控制教学楼照明系统，改变传统的照明控制方式，达到节能的效果，同时可延长灯具的寿命。结论 利用传感器技术来检测室内光强度及室内人数，系统能够在光线比较暗的情况下按需开启日光灯，并且在有人离开教室后，按照实际需求进行关灯操作，实现自动控制的功能。

物联网;照明;CC2530单片机；自动控制

0 引 言

教学楼照明系统对教学过程和学生的视力保护有重要的意义，传统的照明系统为了保护学生的视力通常采用的是手动控制管理的模式，这样当需要照明时，教学楼几乎所有教室的灯均被打开，保证视觉照度要求却忽视了节能问题[1]。为了得出较为确切的教学楼照明浪费电能情况，对银川能源学院的一栋教学楼在一周的各时间段内浪费使用日光灯数进行统计，结果见表1。

表1 教学楼各时间段浪费使用日光灯数统计表(单位：个)

作为统计对象的教学楼的各教室，其长、宽、高分别为12 m、8.8 m和4.3 m，教室内分布有24盏日光灯以满足学生的照明需求。教学楼照明采用40 W日光灯管，这样一周浪费的电能约为49.68 kW.h。学生1年中有两个学期在校，平均每个学期为18周，1年按36周计算，平均每年浪费的电能约为1 788.48 kW.h。一所学校若是有5栋以上这样的教学楼，平均每年浪费的电能至少可达8 942.4 kW.h。据统计，高等学校照明耗电占本单位所有耗电量的40%之多[2]。同时灯具长时间使用会减少寿命，因此手动控制管理的模式已逐渐不再适用于教学楼照明控制系统。目前各种教学楼照明自动控制系统种类繁多，鉴于网络技术具有方便、多样、快捷的特点，能够做到准确、快速地实现对教学楼照明管理，本文选择合适的物联网技术，设计一种教学楼照明自动控制系统[3]。

1 物联网技术的选择

物联网是现代信息技术随着现代科学技术水平的飞速提升逐渐发展到一定的阶段后出现的产物。它能够将各种不同的现代传感网络技术、感知技术以及自动化技术集成起来，达到物与物之间的识别与通信[4]。将物联网应用于教学楼照明系统的信息传递过程中，需选择网络容量大且功耗低的短距离无线通信技术[5]，由于ZigBee技术是介于无线标记技术和蓝牙传输技术之间的一种新兴的无线网络技术，其主要特点是功耗低、结点容量大，有效距离长，因此选择ZigBee技术作为物联网通信技术[6]。

2 传感器技术的应用

图1 教室内外各传感器的分布

设计中为了检测是否需要打开日光灯，以及需要几盏日光灯，需选择合适的传感器。本次设计选择光敏三极管来检测教室内光照度，以此判断是否需要开灯；选择热释电红外传感器采集教室内人数，以此确定所需开日光灯数，达到节能的目的[7]。各传感器在某教室的分布如图1所示：

图中①和②为热释电红外传感器，分别安装在教室前后门外和门内上方的墙上，通过检测到人体信号的先后顺序来判断人进出教室情况以及室内人数；③为光敏三极管，安装在教室内，用来检测教室内的光照度，以此来判断是否需要开灯；④为人体检测模块，用于检测教室内哪部分有人，以此决定相对应区域灯的通断情况。

3 系统硬件结构设计

本系统将物联网与传感器技术相结合来进行教学楼照明自动控制，在满足教学楼照明需求的前提下，达到节约用电的效果。在本设计中，当检测到教室内光强度足够时，不需开灯；若教室内光强度不足，根据教室门口的热释电红外传感器采集教室内人数，无人时不开灯，人数在0～9之间时开第一排灯，在10～19之间时开第二排灯，在20～29之间时开第三排灯，在30及以上时灯全部开；在室内人数减少时并不是按顺序依次关灯，而是根据检测到的教室内某一区域无人的情况下关灯；设计还考虑到若实际应用需要，可进行手动控制照明设备。如图2所示为系统硬件结构图，主要包括电源模块、传感器模块、主控模块、照明设备模块和ZigBee通信模块[8]。

4 系统软件实现及流程图

系统的主控模块采用CC2530单片机，它是由TI(Texas Instruments)公司推出的兼容ZigBee2007协议的无线射频芯片，它完全兼容8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议[9]。可以用C语言对其进行编程。CC2530能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，是一个真正意义上的片上系统(SoC)解决方案。在无线通信模块的有效通信距离内，将各教室内的ZigBee节点信息通过上位机控制照明回路[10]。系统由不同作用的传感器节点构成，并以无线通信的方式自组网形成网络系统[11]。各节点的分布方案如图3所示。

图2 系统硬件结构图 图3 各节点的分布图

本系统采用C语言对远程终端进行软件设计，包括系统初始化、通信处理、信息采集、信息处理和输出控制等模块，系统设计流程如图4所示。

在ZigBee协议中使用热释电红外传感器时，可使用P0_6引脚作为检测引脚，人进入其感应范围模块输出高电平，人离开感应范围输出低电平，通过I/O端口读取检测引脚电平，并输出显示，上传给协调器。再利用周期性点播的定时器，间隔1 s定时采集、输出显示，将采集到的信息发送给协调器，协调器通过串口调试助手显示其结果。同样的处理方式可适用于光敏传感器，对P0_5引脚配置成输入引脚，光敏只需读取与之相连的IO口电平，来判断当前环境的明暗度。其中通过热释电红外传感器检测是否有人进入教室的部分代码，如图5所示。

图4 教学楼照明自动控制系统流程图

检测是否有人进入教室的部分代码如下：

void SampleApp_Send_P2P_Message(void)

{

byte state;

if(DATA_PIN==1)

{

MicroWait(10000);//Wait 10ms

if(DATA_PIN==1)

{

state=0x31;//有人进入

HalUARTWrite(0,"insecurity ",10);//串口显示

HalLcdWriteString("insecurity",HAL_LCD_LINE_3);//LCD显示

}

}

else

{

state=0x30;

HalUARTWrite(0,"security ",9);

HalLcdWriteString("security",HAL_LCD_LINE_3);

}

if(AF_DataRequest(&SampleApp_P2P_DstAddr,&SampleApp_epDesc,

SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,

1,

&state,

&SampleApp_TransID,

AF_DISCV_ROUTE,

AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS)

{

}

Else

{

//Error occurred in request to send.

}

}

5 结 论

应用物联网技术(短距离无线通信方式)，以CC2530单片机为核心设计的教学楼照明系统，同时可以配合人工操作控制教学楼照明系统，使得传统的照明方式得以改善。本系统利用传感器技术来检测室内日光强度及室内人数，能够在光线比较暗的情况下按需开启日光灯，在有人离开教室时经系统判断后及时关闭日光灯，实现自动控制的功能。在教学楼照明设备的日常应用中，满足学生照明需求的同时避免了电能的浪费，达到了节约能源的目的。

[1]黄强.基于ZigBee的校园照明监控系统设计与实现[D].成都:西南交通大学,2014.

[2]陈义清.智能照明控制系统在高校图书馆照明节能设计中的应用[J].现代建筑电气,2013,4(06):14-18.

[3]郭福洲.基于物联网嵌入式技术的智能城市(照明)管理系统开发探析[J].通信设计与应用,2015,(09):113-114.

[4]张立新.一种基于物联网技术的智能路灯监控系统设计[J].宁夏工程技术，2014,13(03):234-237.

[5]豆晓强.ZigBee技术在无线传感器网络中的应用研究[D].上海:上海大学,2007.

[6]何塞.基于ZigBee的城市照明监控系统的研制[D].苏州:苏州大学,2012.

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

[8]吴秀江.灯光自动控制系统实例研究[J].科技向导,2013,(03):12-13.

[9]王小强.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012:30-101.

[10]汤克明.基于物联网的教学楼节能系统设计[D].吉林:吉林大学，2013.

[11]李善民.基于ZigBee单片机的智能照明系统的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2013.

[责任编辑：毛微曦 英文编辑：刘彦哲]

Automatic Lighting Control System of Teaching Building Based on Internet of Things

HU Ya-ya,LI Ya-ya

(Department of Electric Power,Yinchuan Energy Institute,Yinchuan,Ningxia 750105,China)

Objective To change the traditional lighting control mode of the teaching building by internet of things;together with sensor technology to control the lighting automatically and save energy.Methods By taking a teaching building in university as a research object,light intensity in the classroom was detected by the photosensitive triode to determine whether lighting was needed or not;the number of people in the classroom was count up by using the pyroelectric infrared sensors to determine the number of opening fluorescent lamp;the information of lighting system was delivered by using the internet of things to automatically control the building lighting and save energy.Results The data of waste using fluorescent lamp in each period showed that the waste of electricity was about 8942.4 kW.h per year,causing the waste of energy,at the same time.The long-term use of lighting reduced the service life of lights.The design of the teaching building lighting control system used the internet of things as short distance wireless communication mode,and CC2530 microcontroller as the core,and cooperated with manual operation to control the building lighting system.It changed the way of traditional lighting control to achieve the effect of energy saving and prolong the service life of lights at the same time.Conclusion By using the sensor technology to detect light intensity and the number of people in classroom,the system can turn on the light in necessary when the light intensity is dark.After someone leaves the classroom,the system can turn off the light according to the actual demand,realizing the function of automatic control.

the internet of things；lighting；CC2530 microcontroller；automatic control

银川能源学院科研基金资助项目(2015-KY-Y-22)

胡娅娅(1989-)，女，宁夏隆德人，助教，主要从事自动化方面的教学和研究。

TM 201

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.03.008

来稿日期：2016-06-07