基于超声成像技术对教学楼电气设备的智控设计

2023-02-19辽宁工程技术大学车昊伦侯易辰张帅博

数字技术与应用 2023年1期

辽宁工程技术大学车昊伦侯易辰张帅博

随着教育信息化的发展，教学楼电气设备建设中教学组织和智慧管理的重要环节，采用网络数字化架构是必然选择。教学楼电气设备建设建筑照明采集作为研究项目，结合物联网技术，将打造物联网教育建筑节能系统的智慧项目。ZigBee 协议是一种节能、网络高效的短距离无线通信技术。

由于我国重视基础教育和教育资源综合改革，各级政府投入大量人力物力建设中教学楼电气设备，近期新建、改建了多所中学[1]。教学楼电气设备建设虽然不是特别难，但有兴趣的人流量很大。

1 相关理论基础

1.1 超声成像设备的技术简述

超声成像的物理基础，超声传播依赖于高频机械振动的“波源”和传播机械振动的柔性介质，因此机械振动和柔性介质是超声检测的物理基础[2]。在超声成像中，探头板发射时会产生超声波，因此探头板是波的来源。

1.2 教学楼电气设备负荷等级分析

教学楼的照明对学生和教师的影响最大，这就是为什么它是电气设计中的一个重要环节。照明设计的难点在于照明[3]。如果解决不当，将严重损害学生的视力，从而间接降低学生的学习效率，损害他们的身心健康，阻碍学校教学质量。照明设计的原则是要注意室内空间中光线水平和光强分布的整体平衡。根据《建筑照明设计标准》要求：等级表0.75m 水平面照度≥300 勒克斯，照明均匀度≥0.7；天花板上的主要灯具通常是荧光灯配光，并尽可能放置在桌子之间的走廊内；与工作台的垂直距离≥1.7m。为了实现均匀照明，管道的最大距离与安装高度之比在纵向为1.3，在横向为1.5。为了进一步优化板的视觉效果，应在板的顶部安装一个特殊的板灯，以避免教师和学生眩光。

1.3 教学楼电气设备设计分析

教学楼是学校中人员使用最多最频繁的建筑，因此其应急照明设计尤为重要。应急照明灯有3 种类型：应急出口灯、疏散指示灯和应急照明灯，分别位于楼梯（出口）、人行道和大型教室内。应急照明的备用电源由其自身电池供电，连续供电时间至少为30min。

2 基于超声成像技术的系统设计

2.1 基于超声成像技术的照明系统基本设计要求

智能终端通常使用无线通信对照明设备进行控制。目前，主要的无线通信技术有无线网、蓝牙和ZigBee。通过比较，无线通信网络中的ZigBee 作为智能照明系统的内部网络，其特点是硬件成本低、网络方便、能耗低。对于大型公共地方，本设计能够提高灯具的工作效率，减少它的工作时间，对灯具的使用寿命具有延长的作用，以此对节能、环保与智能达到控制的目的。

2.2 光源与灯具设计分析

教学楼电气设备建设系统具有对灯具进行开关、调节它的亮度和红绿蓝灯光的3 个功能。这个系统用于两种不同的计算机和移动电话控制终端。客户与控制模块和灯控制模块通过通信来达到对灯的控制，它的操作界面主要是由用户信息和灯信息两部分组成。用户信息有密码登录和账户注销这两个功能，Lamp 信息包括三个功能：即完全开启、完全关闭和个性化服务。

2.2.1 灯具开关

用户能通过访问客户端的方式达到对灯具的管理控制，按灯开关来分，它可以分为单灯和多灯两类。在操作界面菜单栏的弹出式灯管理菜单中可以找到完整的开和关灯按钮，单个LED 灯可以根据个性化管理界面中突出显示的LED 地址单独打开或关闭。

2.2.2 亮度调节

PC 端和手机端的用户都可以访问客户端来调整LED 灯的亮度，就是在客户的菜单上单击“个人化”按钮，然后进入“个性化”管理界面。使用者可以在亮度栏中键入相应的文字，并点击“更新控制”。当收到使用者的命令时，该系统会把它传送给与 ZigBee 终端结点相连的LED 驱动模组。发光二极管可以瞬间转换光亮，节省能量。

2.2.3 红绿蓝灯光调节

用户可以通过访问客户端的方式对LED 灯泡进行调节，学校的电力设备安装LED 灯智能控制系统支持把控制字输入到框中，根据ZigBee 模块通过WiFi 无线通信网络接收到的灯的状态字，实时调整和更改灯的状态。教学楼电气设备建设灯状态字格式为“a*.b”，而“a”和“b”表示状态字的开始和结束。如表1 所示。

表1 LED 控制端的控制状态字取值及其定义Tab.1 The value and definition of the control status word of the LED control terminal

2.3 基于超声成像技术的弱电系统设计

2.3.1 广播系统设计分析

校园公共广播系统作为校园的业务广播，它在学校的日常教学中起着重要作用。根据教学管理的需要，每个班级必须单独管理。火灾传播区域一般根据火灾区域设置，不足以灵活应用于教学业务。因此，校园传输不应与消防传输共享同一系统。校园广播经常用于学校的教学阶段，故障率很高。使用网络连接很难确定故障原因，这对学校来说并不太不便。因此，建议数字校园广播系统单独连接，不与校园网或其他硬件网络共享网络。在以太网中，当一条消息从节点应用层生成到另一个节点应用层以接收节点发送的消息时，延迟主要包括：顶层处理和发送节点队列延迟、发送节点MAC 队列延迟、接收节点MAC 队列延迟，接收节点MAC 层上的消息队列延迟、顶部接收节点层上的处理和消息队列延迟等。

2.3.2 电视、电话、网络等设计分析

内部分配系统是一个针对室内用户群的成功方案，旨在改善建筑物中的移动通信环境。其原理是使用室内型天线电源系统将基站信号均匀分布在房间的每个角落，以确保室内区域具有理想的信号范围。信号源包括GSM、WCDMA、WLAN）TD-SCDMA 和其他信号源，为配电系统提供无线信号；信号分配系统旨在通过电容器和功率分配器等无源设备重定向信号源，并通过电力线将信号均匀地分配到每个低功率天线，并安装在建筑物的每个区域。

2.3.3 火灾自动报警系统设计要求

任何一个火灾报警控制器与火灾探测器、手动报警按钮、模块和其他装置的总数量和地址合计不能超过3200个。连接到每个总线电路的设备总数要少于200个，并保留不小于额定容量10%的余量。任何火灾连接驱动器的地址总数或火灾报警驱动器（连接类型）控制的不同模块的总数不得超过1600点，连接到每个连接总线回路的设备总数不得超过100点，应保留不小于额定容量10%的裕量。

安装要求：

（1）探测器距墙壁和梁边缘的水平距离不得小于0.5m。

（2）距探测器周围水平距离0.5m 附近无遮蔽物。

（3）传感器到最近空调出风口的水平距离不小于1.5m；距供气多孔天花板开口的水平距离不得小于0.5m。

（4）当探测器安装在宽度小于3m 的室内人行道天花板上时，应安装在客厅内。温度敏感点式火灾传感器的安装距离不得超过10m；点式感烟探测器的安装距离不得超过15m。探测器与端壁之间的距离不得超过安装距离的一半。

（5）探测器应水平安装。如果需要斜坡安装，斜坡角度不应大于45°。

（6）对于坡度大于15°的锯齿形屋顶和鱼尾屋顶，应在每个屋脊上设置一排点探测器。

（7）格栅吊顶内烟雾探测器的安装。

镂空面积与总面积的比例小于15%时，应把探测器放在在天花板下方。如果空面积与总面积之比不小于30%，应把探测器放在天花板的上方处。当空面积与总面积之比大约在15%～30%之间时，应当按照实际的测试结论来达到对探测器位置的。如果传感器设置在天花板上方，且无法观察到火警确认灯，则火警确认灯设置在天花板下方。当空面积与总面积之比为30%～70%时，探测器应设置在吊顶上方和下方。

3 基于超声成像技术和物联网的教学楼节能系统设计

3.1 物联网技术

物联网是基于因特网的物与物的连接，通过协议，可以识别出物联网中的物体，并与其他物体进行通讯，实现实时自动识别，定位跟踪，监控和智能目标。物联网的核心依然是因特网，它基于因特网，利用目标和目标的延伸，利用探测装置对被监视目标的实时信息进行实时获取，利用RFID 技术和无线通讯技术，及时精确地传送有关目标的信息，为以后的信息的智能化处理做好准备。由于该结构主要为节能教学楼系统设计，通信距离小，节点容量大，在本设计中，我们将从几种流行的短程无线通信技术中选择合适的短程通信技术作为物联网通信技术。

3.2 无线通信模块

教学楼电气设备建设无线通信模块广泛地运用车载监控、远程控制、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、社区寻呼、工业数据采集系统、无线标签、识别、射频非接触智能卡、小型无线数据终端、安全和消防，无线远程控制系统、生物信号采集、水文气象监测、机器人控制、232 无线数据通信、485.422 无线数据通信，数字音频数字图像传输等领域。通常，单片机模拟2262 是正常的。然而，当单片机模拟2272 解码时，通常结果是遥控距离缩短。

3.3 方案设计

为了实现对教室灯光的实时监测，教学大楼的电力设施建设是一种将计算机与传感技术相结合的照明监测系统。根据教学楼的常规光照条件，在实现建筑节能管理的最优化方面，该方案提出：在自然光照充足的情况下，教学楼无需使用任何照明设施；只有在自然光照不充足的情况下，才能根据室内光线的强弱和室内的人数来自动调节；在没有人的情况下，自动控制的灯光会被关掉。同时，在紧急或特殊情况下，需要手动打开和关闭照明，在设计中应当添加手动开关控制。从而既能达到节能，又能达到照明要求，又能延长灯泡使用寿命的目的。基于物联网的节能教学楼系统设计流程图如图1 所示。