0 引言

    目前，我國絕大部分高校教學樓教室內的用電設備（照明燈、風扇、空調等）使用處于一種由進入教室內的人員人工控制的方式。由于缺乏對教室使用及其內用電設備使用進行科學合理的控制與管理，因而教室內電氣設備有效利用率不高，造成資源的嚴重浪費^[1]。具體表現為：學生節(jié)能意識不高，造成巨大的電能浪費，如教室內溫度適宜卻開空調，光線充足卻打開照明燈，學生離開教室忘記關空調、風扇、照明燈的現象^[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實現對教學樓中用電設備進行控制與管理，又可以根據學校的通、斷電安排等要求自動控制教室內的用電設備供電，還可以根據教室內不同區(qū)域自然光強弱自動開關分組燈，解決學生節(jié)能意識不高、自習教室開放管理不當等造成巨大的電能浪費的問題。該系統(tǒng)具有結構簡單、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，根據需要通過手機或PC輸入指令和數據，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進行設計，它主要由單火線接線端、單火線開關電源模塊、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公司生產的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee無線數據傳輸模塊^[4]，模塊除了具有通信功能外，還可以根據需要獲取教室內各個傳感器節(jié)點的數據，并進行處理和控制。

    觸摸開關采用電容觸摸開關，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電路的功耗低。

    檢測開關電路由照度檢測開關電路和人數檢測開關電路組成。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，照度檢測開關電路采用以TI公司生產的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網^[4]。首先由CC2530F256芯片控制傳感器獲取相應的數據，然后通過無線通信方式將教室內的光照等數據回傳給教室節(jié)點單元的STM32微控制器，同時根據獲取到的數據進行控制決策。為了實現對自習教室用電設備的管理，增加了人數檢測開關電路，在教室內安裝ID識別模塊，用于檢測進入教室的學生人數。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。人數檢測開關電路采用以TI公司生產的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網^[4]，通過無線方式將教室內的人數等數據傳送給教室節(jié)點單元的STM32微控制器，同時根據獲取到的數據進行控制決策，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換并實施的裝置，實現該樓棟某個區(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公司生產的CC2530F256芯片來實現，它與電能節(jié)能控制中心的ZigBee通信模塊組成ZigBee無線通信網絡來完成數據和指令的傳輸。有線通信模塊采用Sipex公司生產的SP485EE芯片來實現，它與教學樓電井控制單元RS485通信模塊相連接來完成數據和指令的傳輸^[7]。

    高精度時鐘模塊選用Dallas公司生產的內部自帶晶振電路的DS3231芯片來實現。由于DS3231芯片內集成有溫補晶振(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據。用戶既可以根據需要通過手機或PC在任意時刻實現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電路的ZigBee組網程序、光照度傳感器驅動程序、ID讀卡驅動程序、觸摸開關檢測程序和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動程序、高精度時鐘模塊的驅動程序、無線通信模塊的ZigBee組網程序和有線通信模塊的RS485驅動程序，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的驅動程序、高精度時鐘模塊的驅動程序、無線通信模塊的ZigBee組網程序和GSM模塊的驅動程序，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)數據傳送至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，然后啟動該系統(tǒng)，并讓其試運行。使用調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。根據表2的測試結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，實現了良好節(jié)能的效果。

5 結束語

    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、ZigBee技術、單火線技術和通信技術等有機地結合在一起，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。運行結果表明，系統(tǒng)不但可以通過手機或PC遠程實現對教學樓中各教室、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，而且具有結構簡單、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）