0 引言

    目前，我國絕大部分高校教學樓教室內(nèi)的用電設備（照明燈、風扇、空調(diào)等）使用處于一種由進入教室內(nèi)的人員人工控制的方式。由于缺乏對教室使用及其內(nèi)用電設備使用進行科學合理的控制與管理，因而教室內(nèi)電氣設備有效利用率不高，造成資源的嚴重浪費^[1]。具體表現(xiàn)為：學生節(jié)能意識不高，造成巨大的電能浪費，如教室內(nèi)溫度適宜卻開空調(diào)，光線充足卻打開照明燈，學生離開教室忘記關(guān)空調(diào)、風扇、照明燈的現(xiàn)象^[2]；自習教室開放管理不當造成的電能浪費，如自習教室內(nèi)學生較少卻打開全部的照明燈、風扇等用電設備^[3]。為了解決上述存在的問題，設計了一種遠程的教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有遠程控制和管理的功能，既可以通過手機或PC實現(xiàn)對教學樓中用電設備進行控制與管理，又可以根據(jù)學校的通、斷電安排等要求自動控制教室內(nèi)的用電設備供電，還可以根據(jù)教室內(nèi)不同區(qū)域自然光強弱自動開關(guān)分組燈，解決學生節(jié)能意識不高、自習教室開放管理不當?shù)仍斐删薮蟮碾娔芾速M的問題。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本較低和易安裝等眾多優(yōu)點。

1 系統(tǒng)的組成和原理

    教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)由教室節(jié)點單元、教學樓電井控制單元、教學樓主控中心單元和電能節(jié)能控制中心單元組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

    教室節(jié)點單元安裝于每間教室的供電入口處或用電設備開關(guān)控制處，教學樓電井控制單元安裝于每棟教學樓的配電電井，教學樓主控制中心單元安裝于每棟教學樓的配電房，電能節(jié)能控制中心單元安放在整個校園配電管理中心。手機通過WiFi或GPRS與電能節(jié)能控制中心進行通信，PC通過WiFi或USB與電能節(jié)能控制中心進行通信。電能節(jié)能控制中心單元、教學樓主控中心單元、教學樓電井控制單元和教室節(jié)點單元通過通信模塊進行通信。管理者可以在手機或PC上安裝客戶端軟件，根據(jù)需要通過手機或PC輸入指令和數(shù)據(jù)，通過選定的通信方式(手機選擇WiFi或GPRS，PC選擇WiFi或USB)對電能節(jié)能控制中心單元、教學樓主控中心單元、教學樓電井控制單元和教室節(jié)點單元進行控制與管理。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

    系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括教室節(jié)點單元、教學樓電井控制單元、教學樓主控中心單元和電能節(jié)能控制中心單元的電路設計。

2.1 教室節(jié)點單元的硬件設計

    為了方便施工人員安裝與改造，教室節(jié)點單元采用單火線供電技術(shù)進行設計，它主要由單火線接線端、單火線開關(guān)電源模塊、線性穩(wěn)壓模塊、微控制器、無線通信模塊、繼電器驅(qū)動與檢測保護模塊和多路繼電器組成，其硬件設計框圖如圖2所示。

    市電220 V從單火線接線端的輸入端接入教室節(jié)點單元，然后分為兩路：一路用于取電，送給單火線開關(guān)電源模塊和線性穩(wěn)壓模塊，給教室節(jié)點單元的各個電路模塊進行供電；一路通過教室節(jié)點單元控制的多路繼電器，給教室的用電設備提供電源。

    微控制器選用ST公司的STM32F103C8T6，該系列微控制器價格便宜，資源豐富，是目前流行的微處理器之一。

    繼電器采用松樂繼電器公司的 SRD-12VDC，線圈工作電壓12 V，帶負載能力為10 A。

    單火線開關(guān)電源模塊型號為DY10A，該模塊具有外圍電路簡單、輸入電壓范圍寬、空載電流小、功耗低和輸出直流電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小等眾多優(yōu)點。

    線性穩(wěn)壓模塊采用ME6203A線性穩(wěn)壓芯片，具有高輸入直流電壓轉(zhuǎn)低輸出直流電壓的特性，輸入直流電壓最高可達到40 V，輸出直流電壓為3.3 V，具有超低靜態(tài)電流，平均值為3 μA，輸出最大電流為100 mA。

    無線通信模塊采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊^[4]，模塊除了具有通信功能外，還可以根據(jù)需要獲取教室內(nèi)各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并進行處理和控制。

    觸摸開關(guān)采用電容觸摸開關(guān)，不但可以延長按鍵的使用壽命，而且比目前所使用繼電器自鎖方式組成的開關(guān)電路的功耗低。

    檢測開關(guān)電路由照度檢測開關(guān)電路和人數(shù)檢測開關(guān)電路組成。為了節(jié)約照明用電，在教室的多個位置安裝光照度傳感器，照度檢測開關(guān)電路采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網(wǎng)^[4]。首先由CC2530F256芯片控制傳感器獲取相應的數(shù)據(jù)，然后通過無線通信方式將教室內(nèi)的光照等數(shù)據(jù)回傳給教室節(jié)點單元的STM32微控制器，同時根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進行控制決策。為了實現(xiàn)對自習教室用電設備的管理，增加了人數(shù)檢測開關(guān)電路，在教室內(nèi)安裝ID識別模塊，用于檢測進入教室的學生人數(shù)。ID識別模塊分為兩個讀頭，一個用于進入教室刷卡，一個用于離開教室刷卡。人數(shù)檢測開關(guān)電路采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網(wǎng)^[4]，通過無線方式將教室內(nèi)的人數(shù)等數(shù)據(jù)傳送給教室節(jié)點單元的STM32微控制器，同時根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進行控制決策，對教室的照明進行分區(qū)供電。

2.2 教學樓電井控制單元的硬件設計

    教學樓電井控制單元是將教學樓主控制中心單元的控制信號進行轉(zhuǎn)換并實施的裝置，實現(xiàn)該樓棟某個區(qū)域或該樓棟某個電井的斷電和供電。它由微控制器模塊、通信模塊、固態(tài)繼電器和交流接觸器組成，其硬件設計框圖如圖3所示。

    教學樓電井控制單元的通信模塊分為有線通信模塊和無線通信模塊，其中無線通信模塊與教室節(jié)點單元的無線通信模塊通信，有線通信模塊與教學樓主控制中心單元的通信模塊通信。

    微控制器選用ST公司的STM8S103F3芯片作為微處理器，其內(nèi)部資源豐富，擁有8 KB Flash、1 KB RAM，支持2.95 V～5.5 V供電，成本低，抗干擾能力強^[5]。

    固態(tài)繼電器選用FOTEK SSR-25DA，它具有雙向可控硅輸出，零電壓開啟，零電流關(guān)斷，輸入回路與輸出回路之間光隔離，輸入端與輸出端之間隔離耐壓2 500 V以及直流控交流等眾多優(yōu)點。

    根據(jù)給教室供電所需要的電流大小來選擇電流合適的德力西公司生產(chǎn)的交流接觸器。

    微控制器通過通信模塊接收教學樓主控中心和教室節(jié)點單元的指令，通過控制固態(tài)繼電器的吸合與斷開來控制交流接觸器的吸合與斷開，從而達到對教室供電的控制。

2.3 教學樓主控中心單元的硬件設計

    教學樓主控中心單元用于控制該棟樓的集中通電與斷電時間。它由通信模塊、高精度時鐘模塊、鍵盤與顯示模塊和微控制器組成，其硬件設計框圖如圖4所示。

    微控制器選用ST公司的STM8S207R芯片作為微處理器，其內(nèi)部資源豐富，具有功耗低、成本低、性能高、抗干擾能力強等特點^[6]。

    通信模塊由無線通信模塊和有線通信模塊組成。無線通信模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片來實現(xiàn)，它與電能節(jié)能控制中心的ZigBee通信模塊組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡來完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸。有線通信模塊采用Sipex公司生產(chǎn)的SP485EE芯片來實現(xiàn)，它與教學樓電井控制單元RS485通信模塊相連接來完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸^[7]。

    高精度時鐘模塊選用Dallas公司生產(chǎn)的內(nèi)部自帶晶振電路的DS3231芯片來實現(xiàn)。由于DS3231芯片內(nèi)集成有溫補晶振(TCXO)和晶體，因此其具有低成本和高精度的實時時鐘等眾多優(yōu)點^[8]。

    觸摸顯示模塊選用陶晶馳公司生產(chǎn)的3.2寸組態(tài)觸摸顯示屏。該屏幕使用的是USART接口，方便與微控制器相連，具有良好的HMI^[9]，可以用于設置或顯示當前教學樓主控中心的時間、樓棟的通電與斷電狀態(tài)，或者臨時手動控制樓棟的通電與斷電。

2.4 電能節(jié)能控制中心單元的硬件設計

    電能節(jié)能控制中心單元用于控制學校每棟教學樓的集中通電與斷電時間。它由通信模塊、高精度時鐘模塊、GSM模塊、PC通信模塊、鍵盤與顯示模塊和微控制器組成，其硬件設計框圖如圖5所示。

    電能節(jié)能控制中心單元上設置有高精度的日歷時鐘，并可以存放管理多棟樓教室通電與斷電的時間數(shù)據(jù)。用戶既可以根據(jù)需要通過手機或PC在任意時刻實現(xiàn)對某棟或某幾棟教學樓的通電與斷電，又可以通過PC或手機進行設置或修改某棟教學樓的通電與斷電控制時間。一經(jīng)設置完成，電能節(jié)能控制中心就可以脫離PC或手機單獨工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)的軟件設計主要由教室節(jié)點單元軟件、教學樓電井控制單元軟件、教學樓主控中心單元軟件、電能節(jié)能控制中心單元軟件組成。

3.1 教室節(jié)點單元軟件設計

    教室節(jié)點單元的軟件設計由用C語言編寫的各個模塊程序組成，主要包括無線通信模塊和檢測開關(guān)電路的ZigBee組網(wǎng)程序、光照度傳感器驅(qū)動程序、ID讀卡驅(qū)動程序、觸摸開關(guān)檢測程序和STM32控制繼電器的程序等，其主程序流程圖如圖6所示。

3.2 教學樓電井控制單元軟件設計

    教學樓電井控制單元主程序流程圖如圖7所示。教學樓電井控制單元的硬件電路一直處于通電工作狀態(tài)（除非停電或人為斷電），主要用來接收教學樓主控中心單元的指令，并根據(jù)指令控制指定區(qū)域的交流接觸器，進而控制是否給該區(qū)域教室供電。

3.3 教學樓主控中心單元軟件設計

    教學樓主控中心單元的軟件設計主要包括鍵盤與顯示模塊的驅(qū)動程序、高精度時鐘模塊的驅(qū)動程序、無線通信模塊的ZigBee組網(wǎng)程序和有線通信模塊的RS485驅(qū)動程序，其主程序流程圖如圖8所示。

3.4 電能節(jié)能控制中心單元軟件設計

    電能節(jié)能控制中心單元的軟件設計主要包括USART的驅(qū)動程序、高精度時鐘模塊的驅(qū)動程序、無線通信模塊的ZigBee組網(wǎng)程序和GSM模塊的驅(qū)動程序，其主程序流程圖如圖9所示。電能節(jié)能控制中心單元既可以通過USB線與PC連接，又可以通過GSM模塊和安裝有自編APP程序的手機聯(lián)機。通過PC或手機設置每棟教學樓的每個區(qū)域電井的通電和斷電控制要求，并通過教學樓主控中心單元將各教學樓的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至PC或手機端顯示，既可以方便管理員實時掌握教學樓供電狀態(tài)，又可以供學生查詢自習教室的開放情況。

4 系統(tǒng)功能測試

    教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)設計完畢后，將其安裝在廣西某高校的教學樓中，學校管理者根據(jù)學校的通、斷電安排等要求，通過手機或PC設置各棟教學樓分區(qū)的通電和斷電時間、自習教室的開放等各項參數(shù)，然后啟動該系統(tǒng)，并讓其試運行。使用調(diào)光燈模擬自然光照射教室節(jié)點單元中的光傳感器，對照明供電進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

    該控制方法符合中華人民共和國國家標準《建筑照明設計標準》GB50034-2013關(guān)于新建、改建和擴建的居住、公共和工業(yè)建筑的一般照度標準值的規(guī)定^[10]。對安裝在廣西某高校的教學樓中的教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)的單個控制單元進行了功耗測試，測試結(jié)果如表2所示。

    安裝該節(jié)能控制系統(tǒng)的廣西某高校設置有1個電能節(jié)能控制中心單元、5個教學樓主控中心單元，每棟教學樓有12個教學樓電井控制單元，每個電井控制20個教室節(jié)點單元。根據(jù)表2的測試結(jié)果和學校教學樓使用該節(jié)能控制系統(tǒng)的照明總電表用電量進行對比可知：未使用教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)之前，每天晚上22：00后需教學樓管理人員手動關(guān)閉每間教室的照明燈，該學校教學樓用電記錄中純照明用電平均每月為564 480 kWh；使用教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)之后，學校教學樓照明用電為平均每月395 136 kWh，平均每月節(jié)省169 344 kWh，實現(xiàn)了良好節(jié)能的效果。

5 結(jié)束語

    本文選用STM32芯片和STM8芯片作為微控制器，將傳感器檢測技術(shù)、ZigBee技術(shù)、單火線技術(shù)和通信技術(shù)等有機地結(jié)合在一起，設計了一種遠程的教學樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)，并詳細闡述了系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設計，最后將其應用于廣西某高校的教學樓中進行試驗。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)不但可以通過手機或PC遠程實現(xiàn)對教學樓中各教室、辦公室的用電設備按照學校的通、斷電安排進行自動控制與管理，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、易安裝、性能可靠等眾多優(yōu)點，符合當今社會所提倡的“節(jié)約能源，低碳環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展”的主題，達到了節(jié)約能源、節(jié)約管理者的人力和物力的目的，具有良好的市場前景。

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作者信息：

于新業(yè)，易  藝，郝建衛(wèi)

（桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林541004）