教室光環(huán)境智能控制系統(tǒng)

1、教室光環(huán)境智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者：朱萬朋，張林泉，李盈盈，杜光磊，趙靈強(qiáng)，指導(dǎo)教師：梁坤峰（河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院制冷092班郵編：471003）摘要：隨著節(jié)能和環(huán)保要求的日益高漲，校園內(nèi)教室的電能浪費(fèi)問題受到重視，以智能化為手段的控制系統(tǒng)開始在教室光環(huán)境控制中得到應(yīng)用。本作品建立教室光環(huán)境智能控制系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)了教室內(nèi)人員區(qū)域定位算法，設(shè)置了光敏、投影儀開啟和手動(dòng)控制信號(hào)的控制優(yōu)先級(jí)，搭建了簡(jiǎn)化的教室光環(huán)境智能控制系統(tǒng)實(shí)物模型，并驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的功能。智能控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)和紅外熱釋電處理芯片BISS0001作為控制裝置的核心部件，通過光敏電阻電路檢測(cè)環(huán)境的光強(qiáng)，并給出了教

2、室內(nèi)開燈的光強(qiáng)閾值，由熱釋電紅外傳感器模塊檢測(cè)人員的存在與位置；作品通過對(duì)環(huán)境光強(qiáng)信號(hào)、人體存在和位置信號(hào)的識(shí)別和智能判斷，完成對(duì)教室照明回路的智能控制，實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)燈源的開關(guān)、明暗和區(qū)域控制，具有顯著的節(jié)電效果和智能控制特點(diǎn)。關(guān)鍵字光環(huán)境；紅外感應(yīng)；定位；智能控制；節(jié)能減排作品內(nèi)容簡(jiǎn)介1 .研制背景及意義隨著能源危機(jī)的不斷加深，我國(guó)的能源問題越來越受到關(guān)注。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的初步統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2011年中國(guó)能源消費(fèi)總量比2010年增長(zhǎng)7%。2011年我國(guó)能源消費(fèi)總量34.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是四年來增幅最多的一年，節(jié)能減排形勢(shì)十分嚴(yán)峻。而我國(guó)節(jié)能燈普及率仍然較低，中小城市居民白熾燈的使用比例一般在50%以

3、上，農(nóng)村使用白熾燈的比例更大。目前，中國(guó)照明用電約占全社會(huì)用電總量的12%。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，中國(guó)的照明用電量還會(huì)進(jìn)一步增加，尤其是我國(guó)以火力發(fā)電為主，火電占全國(guó)發(fā)電總量的83.2%,水電約占14.7%,剩余的2.1%才是以核電，太陽能，風(fēng)力電為主的新能源。由于控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能化已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的主流技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)被越來越多的用到節(jié)能設(shè)備上。近幾年我國(guó)教育事業(yè)得到了快速發(fā)展，學(xué)校照明耗電越來越大，電能浪費(fèi)問題也隨之日益嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)院校基本上采用的還是傳統(tǒng)的手動(dòng)、光控和聲控照明方法，其節(jié)能減排、抗干擾能力都很有限，造成了電能的大量浪費(fèi)。因此，開發(fā)新的

4、教室光環(huán)境智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)省電、節(jié)能減排目的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國(guó)內(nèi)常見的照明控制系統(tǒng)l、Dynalite智能照明控制系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和PCa控機(jī)等部件組成。采用DyNet網(wǎng)絡(luò)連接，DyNe厚一個(gè)分布式智能化網(wǎng)絡(luò)，使用RS-485訊協(xié)議。2 、C-Bus智能照明控制系統(tǒng)C-Bus系統(tǒng)是1994#由澳大利亞奇勝電氣公司開發(fā)的，現(xiàn)已廣泛用于很多國(guó)家和地區(qū)。C一Bus系統(tǒng)是一個(gè)二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，主要用于對(duì)照明系統(tǒng)的控制。也可用于消防等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制。3 、ABBi-busEIB智能安裝

5、系統(tǒng)EIB智能系統(tǒng)由總線、總線電源、智能傳感器（光線傳感器、模糊開關(guān)、時(shí)間控制器、移動(dòng)傳感器）、智能開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和其他智能元件（邏輯模塊總線耦合器）構(gòu)成。它是典型的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，每個(gè)元件就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接在一根2芯雙絞線介質(zhì)的總線上，不分主從隸屬關(guān)系實(shí)現(xiàn)相互之間的通訊從而實(shí)現(xiàn)控制和被控制?，F(xiàn)有的照明控制系統(tǒng)雖然產(chǎn)品和技術(shù)都相對(duì)已較成熟，卻多為針對(duì)普通建筑物如居民樓、辦公樓，多采用定時(shí)控制、場(chǎng)景控制或簡(jiǎn)單的傳感器控制，很難滿足教室里人員多、流通性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以有必要針對(duì)教室的特點(diǎn)，研究相應(yīng)的照明控制系統(tǒng)。本裝置將控制對(duì)象具體定位為教室，以細(xì)化照明控制的實(shí)施方案，提出針對(duì)教室實(shí)現(xiàn)智能照明節(jié)能

6、控制方案和實(shí)施方法。2 .設(shè)計(jì)方案圖1教室系統(tǒng)三維仿真控制對(duì)象圖2設(shè)計(jì)方案圖本方案由信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制器、控制對(duì)象四部分組成。設(shè)置信號(hào)采集模塊，采集由環(huán)境亮度傳感模塊、紅外感應(yīng)模塊、投影儀和手動(dòng)開關(guān)發(fā)出的信號(hào)，將光敏信號(hào)、人體紅外信號(hào)、投影儀和手動(dòng)開關(guān)產(chǎn)生的中斷信號(hào)送至信號(hào)處理模塊。設(shè)置信號(hào)處理模塊，處理信號(hào)由STC89C52芯片和紅外熱釋電處理芯片BISS0001完成,將光敏信號(hào)、人體紅外信號(hào)和中斷請(qǐng)求處理為控制器可以識(shí)別的電平信號(hào)，然后交給控制器。設(shè)置控制器模塊，接受處理后的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)不同的控制對(duì)象的控制。設(shè)置紅外計(jì)數(shù)器，通過和紅外采集模塊配合，在人員過于分散時(shí)，強(qiáng)制只開中

7、間區(qū)域的燈來使人員集中，從而達(dá)到節(jié)能的目的。2.1 控制算法首先，初始化后的系統(tǒng)會(huì)先判斷是否有外界中斷信號(hào)（譬如投影儀和手動(dòng)開關(guān)信號(hào)），若有信號(hào)，則直接關(guān)事先設(shè)定區(qū)域的燈，接著由環(huán)境亮度傳感模塊對(duì)室內(nèi)亮度進(jìn)行檢測(cè)，（2004年12月，國(guó)家對(duì)中小學(xué)的教育裝備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，建設(shè)部出臺(tái)了建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（B50034-2004）,教室內(nèi)日光燈的平均照度從150lx,提高到300lx,同時(shí)黑板的照度要達(dá)到5001xo綜合考慮教室的環(huán)境和用途，業(yè)界將教室同光燈的平均照度定位為300lx）若亮度達(dá)到了設(shè)定的閥值，則紅外模塊一直保持低電平輸出，保證教室內(nèi)燈具一直處于關(guān)閉狀態(tài)；若亮度暗到設(shè)定閾值，（設(shè)定圖3教

8、室區(qū)域示意圖6區(qū)域的燈，此時(shí)通過步進(jìn)頂部電機(jī)為電機(jī)1,下面電機(jī)為電機(jī)2）則熱釋電紅外模塊開始工作，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)式熱釋電紅外探測(cè)模塊工作，首先對(duì)教室的整個(gè)區(qū)域1進(jìn)行掃描，若有人體紅外信號(hào)，則直接打開電機(jī)2的旋轉(zhuǎn)對(duì)教室區(qū)域2、3進(jìn)行探測(cè)，若某區(qū)域由人體信號(hào)則對(duì)此區(qū)域進(jìn)行開燈；若沒有人體信號(hào)則電機(jī)2回到初始狀態(tài)，電機(jī)1旋轉(zhuǎn)90,通過電機(jī)2的再一次旋轉(zhuǎn)對(duì)教室4、5區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，若某區(qū)域有人體信號(hào)，則此區(qū)域開燈；若沒有人體信號(hào)，則系統(tǒng)結(jié)束探測(cè)，進(jìn)入初始化。圖4教室區(qū)域劃分實(shí)物2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一種基于STC89C52單片機(jī)和紅外熱釋電處理芯片BISS0001來控制教室燈具開關(guān)以及發(fā)光時(shí)間的自

9、動(dòng)化控制裝置；共分為三個(gè)部分：電器部分、機(jī)械部分和軟件部分。三個(gè)部分之間相互配合來達(dá)到減少光照污染，降低電能損耗，減少碳排放和降低管理成本的效果。以下為各部分的簡(jiǎn)要介紹：2.2.1 電器部分控制器采用STC89C52單片機(jī)和熱釋電紅外探測(cè)模塊，對(duì)教室進(jìn)行信號(hào)的采集和燈光控制。單片機(jī)負(fù)責(zé)精確控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)教室不同區(qū)域的探測(cè)覆蓋，信號(hào)由環(huán)境亮度傳感模塊（由LM393、光敏電阻構(gòu)成，光照靈敏度可精調(diào)，輸出開關(guān)量）和被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器模塊采集，當(dāng)光敏電阻感光時(shí)，經(jīng)過LM393中的2、3口輸入進(jìn)行比較輸出一個(gè)高地電平信號(hào)，由2口的輸入電流大小變化來實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)，而熱釋電紅外模塊

10、通過高低電平的變化老實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域燈光的開關(guān)控制。圖5光亮度調(diào)節(jié)原理圖ISV+1ZV圖6熱釋電紅外探測(cè)模塊電路圖及實(shí)物89C514*，TEE115k%3號(hào)復(fù)位電源電路時(shí)鐘電路7圖7單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖及實(shí)物2.2.2 機(jī)械部分機(jī)械部分：由STC89C52控制的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供整個(gè)機(jī)構(gòu)所需的動(dòng)力，固定于裝置頂部的電機(jī)提供360度的旋轉(zhuǎn)，裝置下部的電機(jī)可以滿足探頭旋轉(zhuǎn)所需要的角度?？紤]到了傳動(dòng)時(shí)各機(jī)構(gòu)之間的干擾和配合問題，通過調(diào)試和改進(jìn)保證裝置運(yùn)轉(zhuǎn)可靠靈活。圖8步進(jìn)電機(jī)圖（24BYJ48）圖9旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維仿真圖圖10旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)物2.2.3 軟件部分軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了多個(gè)功能

11、模塊子程序，使大量的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序。該系統(tǒng)有三個(gè)功能模塊：信號(hào)輸入模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號(hào)從單片機(jī)輸入；信號(hào)控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理；信號(hào)輸出模塊，實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果的編碼輸出，達(dá)到控制LE區(qū)光亮度的目的。單片機(jī)接收兩部分信號(hào)，即環(huán)境亮度傳感模塊輸出的室內(nèi)亮度控制信號(hào)和被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器輸出的開關(guān)信號(hào)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。通過單片機(jī)處理，輸出編碼信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換和放大電路來實(shí)現(xiàn)智能照明。系統(tǒng)流程圖如圖11.開始圖11程序流程圖3 .創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用1）設(shè)置了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使被動(dòng)式熱釋電紅外探頭既能探測(cè)運(yùn)動(dòng)的人體紅外信號(hào)，也能探測(cè)靜止的人體紅外信號(hào)

12、。2）對(duì)教室進(jìn)行區(qū)域化控制，既提高了照明控制的智能化程度，又實(shí)現(xiàn)了減低電能消耗的目的3）設(shè)置了亮度調(diào)節(jié)模式，可以滿足在不同天氣條件下對(duì)燈光照度的需求。4）機(jī)構(gòu)本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉。5）可應(yīng)用于各級(jí)教育教學(xué)機(jī)構(gòu)以及特點(diǎn)相似的場(chǎng)合。4 .節(jié)能計(jì)算4.1 未進(jìn)行節(jié)能控制時(shí)能耗計(jì)算（以河南科技大學(xué)8#101為例）一個(gè)教室的燈的總功率功率是p=700W,在沒有亮度調(diào)節(jié)的，卜#況下，每天開啟16個(gè)小時(shí)計(jì)算，每天消耗的電能為W1=pt1=11.2kwh.每個(gè)教室每年消耗的電能為W2=Epxt=4088kwh按每度電A=0.55元計(jì)算，每個(gè)教室一年耗電量折合人民幣為PW2A

13、=2248.4元假設(shè)我校西苑校區(qū)教室數(shù)量為100間（折合為101教室同等大?。?，每年教室耗電量折合為人民幣為PW22=11.1萬元4.3 節(jié)能分析三個(gè)柱狀圖分別是為節(jié)能控制之前我校100間教室的所消耗的電費(fèi)、節(jié)能控制之后教室的所消耗的電費(fèi)、節(jié)能控制之后的省下的電費(fèi)。圖12電費(fèi)柱狀圖參考文獻(xiàn)1肖景和，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路M.北京郵電出版社，2003.2李蒙，毛建東.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2010.3松并邦彥.傳感器實(shí)用電路設(shè)計(jì)與制作M.北京：科學(xué)出版社，2005.4譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)(第三版)M.北京：清華大學(xué)出版社，20055趙玲，朱安慶智能LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.半導(dǎo)體技術(shù)20086盧慶新.智能照明控制技術(shù)及其應(yīng)用C.中國(guó)長(zhǎng)三角照明科技論壇文集，2004:155-159.FrancisRubinstein,MichaelSiminovitch,RudolphVerderber.FiftyPercentEnergySavingswithAutomaticLightingControlsJ.IEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS1993,29(4):768-779.9龔南笛.Dynalite智能照明控制系統(tǒng)在廣州國(guó)際