方 浩， 張志儉, 莊建軍， 高 琴， 葛中芹

(南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

0 引 言

教室是高校日常教學(xué)活動(dòng)的主要場(chǎng)所，同時(shí)也是大學(xué)生自習(xí)的主要場(chǎng)所,廣大師生希望教室能夠更加舒適，適合學(xué)習(xí)。隨著國(guó)家對(duì)教育經(jīng)費(fèi)投入的增加，高校越來(lái)越重視教室的建設(shè)，在投入資金購(gòu)置電教設(shè)備同時(shí)，開(kāi)始為教室安裝空調(diào)，改善教室環(huán)境舒適度，提高師生滿意度。

然而通過(guò)走訪和調(diào)研發(fā)現(xiàn)高校教室空調(diào)的使用和管理存在一定問(wèn)題，空調(diào)管理比較機(jī)械僵硬，無(wú)法根據(jù)環(huán)境溫度的變化和教室內(nèi)是否有人進(jìn)行彈性管理,多個(gè)自習(xí)教室即使空無(wú)一人也長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)著空調(diào)。根據(jù)環(huán)境學(xué)院多年對(duì)仙林校區(qū)用電調(diào)查顯示，教學(xué)區(qū)用電占整個(gè)校區(qū)用電的43.56%,自習(xí)時(shí)段內(nèi)平均每個(gè)教室僅有4.58人(非考試周期間)，每個(gè)教室都配備有冷暖中央空調(diào)，不論教室內(nèi)人數(shù)多少和環(huán)境溫度變化，空調(diào)始終處于工作狀態(tài)，造成能源巨大浪費(fèi)。

高校作為國(guó)家培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要基地，理應(yīng)杜絕能源浪費(fèi)的嚴(yán)重現(xiàn)象。目前已經(jīng)有不少高校開(kāi)始重視教室節(jié)能減排，但基本上都是在照明節(jié)電上下功夫。而事實(shí)上照明用電僅占教室用電的30%[1]，通過(guò)照明節(jié)電可挖掘的節(jié)能潛力有限，更大節(jié)能空間在空調(diào)用電，因此設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集(人數(shù)檢測(cè)和溫濕度檢測(cè))、數(shù)據(jù)分析和空調(diào)控制3大部分組成，可根據(jù)各教室內(nèi)的人數(shù)以及教室的環(huán)境狀況自動(dòng)調(diào)整開(kāi)啟空調(diào)，設(shè)備安裝方便，節(jié)能效率高，為建設(shè)“節(jié)能、低碳校園”提供了有力的技術(shù)支持[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室空調(diào)智能管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由傳感控制節(jié)點(diǎn)、教室網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器構(gòu)成[3-4]。其中傳感控制節(jié)點(diǎn)包括人數(shù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)、紅外控制節(jié)點(diǎn)和電源控制節(jié)點(diǎn),分別負(fù)責(zé)檢測(cè)教室內(nèi)的人數(shù)信息、溫濕度信息，調(diào)節(jié)紅外控制空調(diào)模式和電源控制。教室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)使用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，將人數(shù)檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)信息通過(guò)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給教室內(nèi)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)將服務(wù)器傳送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器接收所有教室的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)預(yù)設(shè)的決策模型數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生控制命令發(fā)送給教室的控制節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)時(shí)根據(jù)各教室人數(shù)和教室內(nèi)溫濕度調(diào)控空調(diào)。當(dāng)各教室內(nèi)自習(xí)人數(shù)普遍過(guò)少時(shí)可關(guān)閉部分教室的空調(diào)進(jìn)行導(dǎo)流，當(dāng)教室內(nèi)自習(xí)人數(shù)開(kāi)始增多為避免擁擠可陸續(xù)增開(kāi)部分教室空調(diào)進(jìn)行分流，并且可根據(jù)教室內(nèi)溫濕度變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空調(diào)的工作狀態(tài)提高舒適度。上位機(jī)可顯示每個(gè)教室的環(huán)境信息和空調(diào)狀態(tài)，支持手動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。硬件系統(tǒng)主要由教室網(wǎng)關(guān)、溫濕度節(jié)點(diǎn)、人數(shù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)組成，分為信息采集硬件和空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)硬件。每個(gè)教室由一個(gè)負(fù)責(zé)信息轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)[5],若干個(gè)溫濕度節(jié)點(diǎn)、人數(shù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)。教室網(wǎng)關(guān)主芯片采用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)公司的STM32F103芯片，該芯片成本低、擴(kuò)展功能豐富，集成定時(shí)器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能[6]。網(wǎng)關(guān)將所有信息通過(guò)以太網(wǎng)傳送給服務(wù)器，同時(shí)網(wǎng)關(guān)接收服務(wù)器發(fā)送的控制命令，STM32通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)[7-8]將控制命令發(fā)送給命令控制節(jié)點(diǎn)。為施工和維護(hù)方便，教室內(nèi)節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使用了TI公司的CC2530芯片，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有自組網(wǎng)、功耗低、連接穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.1 信息采集節(jié)點(diǎn)

信息采集節(jié)點(diǎn)目前設(shè)計(jì)主要是溫濕度傳感器和人數(shù)檢測(cè)傳感器，后期可根據(jù)需要增加種類。溫濕度檢測(cè)采用的是DHT11傳感器，人數(shù)檢測(cè)采用樹(shù)莓派3和模擬攝像頭。DHT11溫濕度傳感器獲取教室溫濕度傳送給CC2530，CC2530通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將此數(shù)據(jù)發(fā)送給教室網(wǎng)關(guān)[9]。教室人數(shù)檢測(cè)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，訓(xùn)練一個(gè)人頭的檢測(cè)模型封裝到樹(shù)莓派，模型對(duì)通過(guò)模擬攝像頭拍攝到的照片進(jìn)行人頭檢測(cè)及可得到教室的人數(shù)信息，而且可以實(shí)時(shí)更新，消除累計(jì)誤差。最終得到的人數(shù)信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到教室網(wǎng)關(guān)。

2.2 空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)

空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)主要由紅外發(fā)射電路、紅外接收電路和繼電器組成[10-11]。紅外發(fā)射電路用于發(fā)射紅外控制信號(hào)控制空調(diào)狀態(tài)。紅外接收電路用于紅外學(xué)習(xí)空調(diào)的控制命令。

(1) 紅外發(fā)射電路。紅外發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 紅外發(fā)射電路

目前紅外遙控采用的協(xié)議中規(guī)定了發(fā)射信號(hào)必須經(jīng)過(guò)38 kHz的調(diào)制，所以圖3電路中的傳入信號(hào)設(shè)定為38 kHz。

(2) 紅外接收電路。紅外接收電路如圖4所示。

圖4 紅外接收電路

接收過(guò)來(lái)的38 kHz紅外信號(hào)需要經(jīng)過(guò)解調(diào)才能得到控制信號(hào)，采用HS0038B作為紅外接收頭。解調(diào)前的控制信號(hào)如圖5所示，解調(diào)后的控制信號(hào)如圖6所示。接收電路對(duì)信號(hào)解調(diào)后，會(huì)在圖4紅外接收電路中OUT口輸出控制信號(hào)波形。解調(diào)的方式為：如果接收到的信號(hào)是38 kHz，那么解調(diào)后的輸出為高電平；如果接收到的為低電平，那么解調(diào)后直接輸出低電平，從而得到完整的控制信號(hào)[12]。

圖5 解調(diào)前信號(hào)波形

圖6 解調(diào)后信號(hào)波形

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，系統(tǒng)的軟件主要分為節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器3個(gè)部分，連接這3個(gè)部分的是數(shù)據(jù)和命令接口。節(jié)點(diǎn)程序固化在CC2530內(nèi)，上電后ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)，定時(shí)將檢測(cè)到的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)獲取網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令，并執(zhí)行相應(yīng)命令。網(wǎng)關(guān)程序固化在STM32F103中，從節(jié)點(diǎn)獲取信息，并封裝教室編號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)網(wǎng)關(guān)從服務(wù)器獲取控制命令，找到節(jié)點(diǎn)編號(hào)并將此命令發(fā)送給對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)[13]。上位機(jī)軟件由Java語(yǔ)言編寫(xiě)，具有信息分析處理，空調(diào)任務(wù)調(diào)度和信息顯示等功能。具體的管理方案如下[14]：① 首先根據(jù)教室大小設(shè)定每個(gè)教室的最佳容納人數(shù)范圍。比如有100座的教室的最佳容納人數(shù)上限設(shè)為35人，同時(shí)為了提高空調(diào)的能源利用率，我們?cè)O(shè)定了一個(gè)最小的容納人數(shù)，比如100座教室最佳容納人數(shù)下限為5人。② 通過(guò)視頻人數(shù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)傳回的教室的實(shí)時(shí)人數(shù)，程序根據(jù)每個(gè)教室設(shè)定的最佳人數(shù)范圍來(lái)進(jìn)行處理。當(dāng)教室人數(shù)達(dá)到容納人數(shù)上限時(shí)，服務(wù)器會(huì)給下一個(gè)尚未開(kāi)啟的教室電源發(fā)送開(kāi)啟命令，教室空調(diào)電源被打開(kāi)，這樣之后的同學(xué)就可以在這間教室自習(xí)。當(dāng)教室人數(shù)達(dá)到容納人數(shù)下限時(shí)，空調(diào)的電源會(huì)自動(dòng)的關(guān)閉，提高空調(diào)能源的利用率。③ 教室人數(shù)達(dá)到最佳容納人數(shù)范圍時(shí)，空調(diào)還會(huì)根據(jù)教室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫濕度自動(dòng)的調(diào)節(jié)開(kāi)啟的模式，確保教室環(huán)境維持在舒適的水平，避免過(guò)熱或過(guò)冷的情況發(fā)生。④ 每個(gè)樓層會(huì)設(shè)定一定數(shù)量的教室為長(zhǎng)開(kāi)放教室，教室電源一直開(kāi)啟不隨人數(shù)發(fā)生變化，防止只有少數(shù)人自習(xí)但無(wú)法達(dá)到教室開(kāi)啟的條件。⑤ 結(jié)合課表和教室借用信息，提前10 min將空調(diào)設(shè)為可用，確保教室啟用。

圖7 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)校管理需求預(yù)設(shè)決策模型，根據(jù)教室人數(shù)動(dòng)態(tài)控制空調(diào)開(kāi)關(guān)以此進(jìn)行分流和導(dǎo)流[15]，在節(jié)能管理和學(xué)生滿意之間取得平衡。如圖8所示，后臺(tái)管理界面會(huì)顯示每個(gè)教室的實(shí)時(shí)信息，包括教室溫濕度、教室人數(shù)、空調(diào)模式、空調(diào)溫度等。同時(shí)支持自定義設(shè)置，能夠手動(dòng)控制空調(diào)開(kāi)關(guān)和工作模式[16]。

圖8 智能空調(diào)管理系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給現(xiàn)代生活帶來(lái)了很多的便利，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空調(diào)管理系統(tǒng)，利用傳感器獲取教室數(shù)據(jù)，通過(guò)程序軟件分析，自動(dòng)的控制教室內(nèi)空調(diào)的狀態(tài)，大大的減少了能源浪費(fèi)，節(jié)省了管理成本。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，比如將燈光控制、教室門(mén)禁控制、視頻監(jiān)控都納入管理范圍，可大大方便教室管理部門(mén)的管理，通過(guò)APP可為學(xué)生提供當(dāng)前教室狀態(tài)方便學(xué)生尋找合適的自習(xí)教室。在未來(lái)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)能夠結(jié)合云計(jì)算分析獲取的教室數(shù)據(jù)，為教務(wù)部門(mén)提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)用于教學(xué)安排和教學(xué)評(píng)價(jià)，為建設(shè)“智慧校園”做出更多的貢獻(xiàn)。