基于单片机技术的教室节能控制系统实现路径

王青

(烟台汽车工程职业学院，烟台 265500)

0 引言

在学校这个场所，教室是学生主要活动的地方，它是师生之间进行知识交流的地方，而且高校一般都是属于开放式的时段管理模式，对于教室资源的使用与高中、初中是不一样的，高校的治安维护、资源调配和卫生都是由相应的管理人员进行管理[1]。自由调配的开放式教室虽然给学生的学习带来了便利，但是因为缺乏科学的管理，造成教室能源浪费情况比较严重。有时候，在教室就一两个人，但是教室的风扇、照明灯基本上都是打开的；还有教室的温湿度、光线都是处于良好的学习环境下，还是会有人将风扇、照明等设备打开，造成教室资源被大量浪费。根据教室公共照明设计标准，教室照明的功率设计在10 W/m2左右，所以教室标准照明需要设计到96 m2，假设照明系统从早上8:00～21:00处于运行状态，而每个教室每年按照160 kW·h设计，如果整个学校有210间教室，对高校教室照明系统控制技术进行改进，将电能节省力提高到30%，这时每年大概节省电能资源2.28×105 kW·h；如果电能照明单位是0.5元，每年可以节省大概12万电能资源，这时排除教室照明系统的使用寿命和其他因素，充分表明对教室照明系统控制技术进行完善，具有很大的经济效益，是学校教室可以重点研究的。

1 教室节能灯光控制器控制概述

对教室灯光进行控制可以利用系统程序实现自动化节能控制，从而有效调节教室灯光资源。该控制系统主要是对教室内温湿度、人数、光照强度等信息进行收集，分析教室是否有人，光照、环境温湿度是否满足学习环境需求，从而决定是否将灯光系统打开，是否采取合理的灯具匹配对策。在该系统中，如果分析到教室光照环境满足标准，就可以选择关闭灯具，这个控制过程需要系统分析外部光照强度是否达到学生学习的阙值，或是分析对节能照明灯具进行充分匹配已达到合理利用资源的目的，从而保证教室灯光照明的稳定[2]。

本文选择在教室灯光控制系统中，使用单片机作为整个核心控制部分，来提高教室照明系统节能效率，以及资源的合理调配；另外，结合传感器等设备，构建智能化控制系统，从而有效提高整个系统的运行效率。在整个硬件设计中，根据教室对照明系统的标准规范，建立一个有软件支持的控制系统，软件构成部分，是由传感器来采集各种信号，以及相关硬件设备对信息进行处理和传输，从而实现自动化教室灯光资源的节能控制和调度。

2 教室灯光节能控制系统总体设计方案

本文主要分析的是由PIC18F458型号单片机构成的教室灯光节能设计控制系统，这种单片机属于整个检测系统的核心控制器，然后结合通讯线RS-485实现对同层教室能源使用进行控制，并与每个单元的1n进行连接，之后利用CAN总线将综合调配计算机中央系统与单元1n进行连接，从而提高教室灯光资源的动态高校协调管理，具体实现逻辑，如图1所示。

图1 自动化教室节能资源调配管理逻辑结构

根据图1进行分析，该教室节能控制系统是由单片机PIC18F458作为核心控制系统，通过分析教室温度和湿度、电气运行情况、学生学习人数、光照强度等动态信息，之后在通过学校中央计算机King View6.5单元发布数字化、动态化、全中文、图形化等教室信息到监控界面，让管理人员能够看到，从而实现资源的调配，为学校教学提供人性化的资源服务[3]。

3 教室灯光节能控制器的设计

根据图1可以看出，在整个教室节能控制系统中，教室控制检测单元是整个节能管理系统中的核心部分，它不仅可以监控教室动态对象信息，对这些信息进行运算分析和保存，而且也能实现对每个楼层单元的信息通信和共享等。

3.1 选型硬件设计

3.1.1 单片机选型

建立智能化教室资源节能控制系统，需要保证自动化集成的可靠性、高度集成性，以及低消耗，便于操作人员维护特点。所以，本次分析的单片机是PIC系统，是由Microchip公司开发的PIC18F458单片机设备。该设备具有哈弗通信总线结构、高速的运算分析、精简指令(RISC)技术控制、驱动能力较强等优势，可以实现对仪表仪器进行精度控制，也能使用在工业控制系统，以及家电器自动化控制领域中。

3.1.2 红外数据的采集与处理单元

在教室技能系统中是由红外传感器对整个教室内部动态信息进行收集，同时结合处理子系统，采集人数信息，该系统的构成成本比较低，电路结构比较简单。在教室节能控制系统中，人数信息收集是控制教室照明系统的重要数据，同时也是调整灯具运行状态的依据，这样才能实现合理调整教室内部资源。关于教室处理单元和红外数据采集等结构逻辑，如图2所示。

图2 单元处理和红外采集逻辑信息结构构成

3.1.3 采集单元光照信号选型

根据多种光敏电阻、光祸合器、光电管等电能探测器的功能进行分析，与人视觉敏感区光波长比较接近的是光敏电阻产生的光谱峰值；如果外部环境的光照强度下降，这时光敏电阻响应产生的时间也会增多，这就是在控制教室灯光强度时，随着光照强度其输出状态也会进行合理调整。所以，本次研究对于教室光照强度选择光敏电阻进行数据采集和单元处理。关于采集教室光照强度情况的硬件电路，如图3所示。

图3 教室采集光照强度电路

由图3分析，光敏电阻是RO，随着教室光线强度的变化电阻值也会出现上下变动，这样可以保证教室灯光能源的稳定供给；其中R是教室光照电路中采集的负载电阻；C是电路中去耦电容，而Vcc是电能采集中+5 V电源。

3.2 软件编程设计

在整个教室节能控制系统中，主要是由信号采集、智能调节、信号传输等功能模块构成，其中软件编程模块是必不可少的部分。上述分析道、软件部分主要是对红外采集系统和光照强度电力采集系统收集到的数据进行处理和分析，从而实现电路的控制。

3.2.1 采集红外数据和电路软件设计

对教室内的学习学生通过红外传感器进行动态检测，从而建立照明灯具合理控制的最优方案，关于软件控制红外数据处理流程，如图4所示。

3.2.2 电路软件光照强度采集设计

在单片机采集光照信号电路系统中，软件设计部分是利用光敏感传感器来收集教室光照强度动态数据，同时对其进行处理，详细软件流程，如图5所示。

图4 红外数据采集处理电路软件流程

图5 采集光照强度的电路软件流程

4 上位监控系统设计

在整个教室资源节能系统控制中是由教学楼中央计算机作为上位监控机，在教室正常系统运行中，该模块可以对采集到的信息进行实时分析和储存，同时与教室节能终端检测控制器和CAN总线系统实现通信，对教室动态节能智能化系统进行合理调节。在教室资源节能系统控制中，上位机与软件部分构成可视化界面，显示各种采集信息。

5 总结

本文主要是以提高教室能源合理分配为主，对教室建立的节能管理系统进行分析，该系统主要是有检测技术、单片机技术、控制技术等构成，其中在教室节能资源动态管理中，使用的单片机是PIC18F458设备，这对提高教室能源使用的效率有很大帮助，同时达到节约资源的目的。