福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 黃秋情 岳宗笛 黃俊斌 陳 新

0 引言

隨著工業(yè)化高速發(fā)展，能源問(wèn)題已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。能源浪費(fèi)除經(jīng)濟(jì)損失外，還破壞了環(huán)境。在校園里，燈光、風(fēng)扇數(shù)量多，工作時(shí)間長(zhǎng)，用電浪費(fèi)現(xiàn)象顯著，且人力及管理成本高。調(diào)查資料顯示，針對(duì)燈光或者風(fēng)扇節(jié)能控制的設(shè)計(jì)已普遍存在，如蘇州市美術(shù)館新館采用智能照明控制系統(tǒng)。還有一些地方，采用風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“溫度高，風(fēng)力大，溫度低，風(fēng)力弱”的性能。這些方案雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制，仍不能實(shí)時(shí)控制節(jié)能；照明控制采用的是整體狀態(tài)控制，風(fēng)扇控制系統(tǒng)只注重轉(zhuǎn)速和溫度高低的關(guān)系，不能根據(jù)人流量進(jìn)行智能操作。綜上所述，這些系統(tǒng)若應(yīng)用在校園節(jié)能上，并不能起到良好的效果。

本項(xiàng)目將兩者進(jìn)行創(chuàng)新整合，設(shè)計(jì)一組可以自動(dòng)控制燈光和風(fēng)扇的節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)室內(nèi)溫度、光強(qiáng)、人數(shù)以及是否在正常工作時(shí)間段，通過(guò)光、熱傳感器等傳入單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)處理。自動(dòng)控制電燈和風(fēng)扇在規(guī)定自然條件下的啟動(dòng)和關(guān)閉、在確定溫度及人員多少的情況下控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、在規(guī)定時(shí)間以外電器全部關(guān)閉，最終達(dá)到節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)人性化管理的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

綜合教室電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)狀態(tài)的若干因素，本項(xiàng)目給出四個(gè)參數(shù)值：時(shí)間、溫度、光線、人數(shù)；兩個(gè)受控設(shè)施：電燈和風(fēng)扇，其關(guān)系原理如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)處于工作時(shí)間段、有人存在、光線較暗等情況下，燈光會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值，風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟。

圖1 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路示意圖

考慮到實(shí)時(shí)控制的需要，本項(xiàng)目的系統(tǒng)必須做到實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)的采集進(jìn)行分析及處理。為此，簡(jiǎn)單的數(shù)字電路已無(wú)法滿足需要。經(jīng)過(guò)分析，我們采用單片機(jī)作為控制中心模塊，將采集到的參數(shù)信息進(jìn)行判斷并運(yùn)算，輸出兩個(gè)控制信號(hào)。系統(tǒng)需要三級(jí)結(jié)構(gòu)，初步的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)控制中心模塊示意圖

圖2中，外界參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)字電路判別后以高低電平的形式輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各個(gè)參量綜合時(shí)間等因素進(jìn)行分析→輸出控制信號(hào)→對(duì)受控設(shè)施進(jìn)行控制。傳感器實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并送入單片機(jī)分析處理，可以保證對(duì)受控設(shè)施的實(shí)時(shí)控制。

2 分模塊設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊

為實(shí)現(xiàn)教室不同區(qū)域的電燈和風(fēng)扇獨(dú)立控制，需在教室不同區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采集。因此，每一個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)均需要裝配傳感器。如在類似矩形的教室中可以考慮在教室四個(gè)角落附近各裝配傳感器。若教室偏長(zhǎng)，則兩頭和中間區(qū)域也需要裝配。為此，我們也需要考慮到采集范圍重疊和采集死角等問(wèn)題。

針對(duì)信號(hào)采集，門限值的判定是關(guān)鍵。首先，溫度和光照可以設(shè)定為到達(dá)或超過(guò)一個(gè)特定值時(shí)，判定為“真”，系統(tǒng)進(jìn)行工作。但是熱釋電紅外傳感器可以改變比較電路的電壓值來(lái)改變輸出信號(hào)的高低。例如，某一特定的風(fēng)扇和電燈，與之相匹配的熱釋電紅外傳感器只要檢測(cè)到有人存在，則在滿足其他參數(shù)的條件下可以開(kāi)始工作，而其他風(fēng)扇則需要調(diào)高比較電壓數(shù)值，使得只有在較多人存在時(shí)才會(huì)輸出高電平使得該區(qū)域內(nèi)風(fēng)扇工作。這樣做的好處是：①滿足了有人在且其他條件滿足的情況下就開(kāi)啟一些電器設(shè)備；②當(dāng)另一區(qū)域人不多時(shí)，電氣設(shè)備不會(huì)開(kāi)啟，使得這部分人自動(dòng)轉(zhuǎn)移到已開(kāi)啟電器設(shè)備下；③當(dāng)人數(shù)較多時(shí)，會(huì)開(kāi)啟其他區(qū)域電氣設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

由于要對(duì)多個(gè)教室或一個(gè)教室的多個(gè)區(qū)域電器設(shè)施進(jìn)行控制，而單片機(jī)引腳有限，我們不是將所有收集到的信息直接交給單片機(jī)處理，而是在外部就用數(shù)字電路將一些參數(shù)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。例如，將光敏采集到的信號(hào)與熱釋電紅外傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行“邏輯與”運(yùn)算，將輸出值送入單片機(jī)，這樣可以節(jié)約一半的管腳數(shù)量。另外，單片機(jī)作為定時(shí)系統(tǒng)起到?jīng)Q定工作時(shí)間段的作用，這一作用大大節(jié)約了教室晚自習(xí)后熄燈所耗費(fèi)的人力物力，使得系統(tǒng)更趨向于人性化。

單片機(jī)作為數(shù)據(jù)分析模塊，需綜合數(shù)字電路傳輸來(lái)的參數(shù)信號(hào)及內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)且僅當(dāng)輸入?yún)?shù)滿足條件且在工作時(shí)間段時(shí)輸出開(kāi)啟控制信號(hào)，當(dāng)條件不成立時(shí)則輸出關(guān)閉控制信號(hào)。

2.3 電路控制模塊

單片機(jī)輸出的高低電平不足以驅(qū)動(dòng)電燈、風(fēng)扇等電機(jī)，為了克服這一問(wèn)題，我們提出采用繼電器的辦法。繼電器能夠很好地被單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，并可以在高電壓和高電流情況下工作，且輸出端的高電壓電流不會(huì)對(duì)控制端產(chǎn)生影響。基于以上構(gòu)想，我們將控制信號(hào)輸入繼電器控制信號(hào)輸入端，輸出端直接與電機(jī)相連。當(dāng)控制端不滿足條件時(shí)，電機(jī)不會(huì)工作，單片機(jī)判斷外部信號(hào)及時(shí)間等參數(shù)均滿足條件時(shí)，輸出控制信號(hào)將繼電器開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

為簡(jiǎn)化電路，我們提出將一個(gè)區(qū)域內(nèi)的電機(jī)并聯(lián)后由一個(gè)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣既不會(huì)很大程度上影響系統(tǒng)的智能化，也能節(jié)約相應(yīng)成本。同理，考慮到多教室的控制且教室與教室間的環(huán)境參數(shù)大體相同時(shí)，我們可把控制信號(hào)擴(kuò)展到另一間教室使用。

3 結(jié)論

采用單片機(jī)為控制器，用紅外、光敏和溫度傳感系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)室內(nèi)有無(wú)人員及室內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能風(fēng)扇及照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)的溫度來(lái)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)及風(fēng)扇的檔位；根據(jù)室內(nèi)的光線來(lái)控制燈管的照明；根據(jù)是否有人和人員分布來(lái)控制是否打開(kāi)某一區(qū)域燈光及風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，能夠達(dá)到智能控制和節(jié)能的目的，尤其適用于學(xué)校教室、圖書館、樓道照明燈場(chǎng)所。

該系統(tǒng)仍有需要改進(jìn)的部分：首先，各信號(hào)采集模塊穩(wěn)定性不夠高，較難在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。為了達(dá)到更理想的效果，建議在信號(hào)采集模塊上增加反饋機(jī)制，利用負(fù)反饋提高穩(wěn)定性；其次，單片機(jī)接口較少，只能滿足受控電器較少的情況，建議可以改用ARM芯片來(lái)設(shè)計(jì)；最后，如果要用于實(shí)際中，需要用PCB印刷電路板，更好地保證不會(huì)出現(xiàn)虛焊或電路不穩(wěn)定等問(wèn)題。

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