遼寧工程技術(shù)大學(xué) 車昊倫 侯易辰 張帥博

隨著教育信息化的發(fā)展，教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)中教學(xué)組織和智慧管理的重要環(huán)節(jié)，采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化架構(gòu)是必然選擇。教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)建筑照明采集作為研究項(xiàng)目，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將打造物聯(lián)網(wǎng)教育建筑節(jié)能系統(tǒng)的智慧項(xiàng)目。ZigBee 協(xié)議是一種節(jié)能、網(wǎng)絡(luò)高效的短距離無(wú)線通信技術(shù)。

由于我國(guó)重視基礎(chǔ)教育和教育資源綜合改革，各級(jí)政府投入大量人力物力建設(shè)中教學(xué)樓電氣設(shè)備，近期新建、改建了多所中學(xué)[1]。教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)雖然不是特別難，但有興趣的人流量很大。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 超聲成像設(shè)備的技術(shù)簡(jiǎn)述

超聲成像的物理基礎(chǔ)，超聲傳播依賴于高頻機(jī)械振動(dòng)的“波源”和傳播機(jī)械振動(dòng)的柔性介質(zhì)，因此機(jī)械振動(dòng)和柔性介質(zhì)是超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)[2]。在超聲成像中，探頭板發(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波，因此探頭板是波的來(lái)源。

1.2 教學(xué)樓電氣設(shè)備負(fù)荷等級(jí)分析

教學(xué)樓的照明對(duì)學(xué)生和教師的影響最大，這就是為什么它是電氣設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。照明設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于照明[3]。如果解決不當(dāng)，將嚴(yán)重?fù)p害學(xué)生的視力，從而間接降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，損害他們的身心健康，阻礙學(xué)校教學(xué)質(zhì)量。照明設(shè)計(jì)的原則是要注意室內(nèi)空間中光線水平和光強(qiáng)分布的整體平衡。根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求：等級(jí)表0.75m 水平面照度≥300 勒克斯，照明均勻度≥0.7；天花板上的主要燈具通常是熒光燈配光，并盡可能放置在桌子之間的走廊內(nèi)；與工作臺(tái)的垂直距離≥1.7m。為了實(shí)現(xiàn)均勻照明，管道的最大距離與安裝高度之比在縱向?yàn)?.3，在橫向?yàn)?.5。為了進(jìn)一步優(yōu)化板的視覺(jué)效果，應(yīng)在板的頂部安裝一個(gè)特殊的板燈，以避免教師和學(xué)生眩光。

1.3 教學(xué)樓電氣設(shè)備設(shè)計(jì)分析

教學(xué)樓是學(xué)校中人員使用最多最頻繁的建筑，因此其應(yīng)急照明設(shè)計(jì)尤為重要。應(yīng)急照明燈有3 種類型：應(yīng)急出口燈、疏散指示燈和應(yīng)急照明燈，分別位于樓梯（出口）、人行道和大型教室內(nèi)。應(yīng)急照明的備用電源由其自身電池供電，連續(xù)供電時(shí)間至少為30min。

2 基于超聲成像技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于超聲成像技術(shù)的照明系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)要求

智能終端通常使用無(wú)線通信對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制。目前，主要的無(wú)線通信技術(shù)有無(wú)線網(wǎng)、藍(lán)牙和ZigBee。通過(guò)比較，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee 作為智能照明系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是硬件成本低、網(wǎng)絡(luò)方便、能耗低。對(duì)于大型公共地方，本設(shè)計(jì)能夠提高燈具的工作效率，減少它的工作時(shí)間，對(duì)燈具的使用壽命具有延長(zhǎng)的作用，以此對(duì)節(jié)能、環(huán)保與智能達(dá)到控制的目的。

2.2 光源與燈具設(shè)計(jì)分析

教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)系統(tǒng)具有對(duì)燈具進(jìn)行開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)它的亮度和紅綠藍(lán)燈光的3 個(gè)功能。這個(gè)系統(tǒng)用于兩種不同的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電話控制終端。客戶與控制模塊和燈控制模塊通過(guò)通信來(lái)達(dá)到對(duì)燈的控制，它的操作界面主要是由用戶信息和燈信息兩部分組成。用戶信息有密碼登錄和賬戶注銷這兩個(gè)功能，Lamp 信息包括三個(gè)功能：即完全開(kāi)啟、完全關(guān)閉和個(gè)性化服務(wù)。

2.2.1 燈具開(kāi)關(guān)

用戶能通過(guò)訪問(wèn)客戶端的方式達(dá)到對(duì)燈具的管理控制，按燈開(kāi)關(guān)來(lái)分，它可以分為單燈和多燈兩類。在操作界面菜單欄的彈出式燈管理菜單中可以找到完整的開(kāi)和關(guān)燈按鈕，單個(gè)LED 燈可以根據(jù)個(gè)性化管理界面中突出顯示的LED 地址單獨(dú)打開(kāi)或關(guān)閉。

2.2.2 亮度調(diào)節(jié)

PC 端和手機(jī)端的用戶都可以訪問(wèn)客戶端來(lái)調(diào)整LED 燈的亮度，就是在客戶的菜單上單擊“個(gè)人化”按鈕，然后進(jìn)入“個(gè)性化”管理界面。使用者可以在亮度欄中鍵入相應(yīng)的文字，并點(diǎn)擊“更新控制”。當(dāng)收到使用者的命令時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)把它傳送給與 ZigBee 終端結(jié)點(diǎn)相連的LED 驅(qū)動(dòng)模組。發(fā)光二極管可以瞬間轉(zhuǎn)換光亮，節(jié)省能量。

2.2.3 紅綠藍(lán)燈光調(diào)節(jié)

用戶可以通過(guò)訪問(wèn)客戶端的方式對(duì)LED 燈泡進(jìn)行調(diào)節(jié)，學(xué)校的電力設(shè)備安裝LED 燈智能控制系統(tǒng)支持把控制字輸入到框中，根據(jù)ZigBee 模塊通過(guò)WiFi 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接收到的燈的狀態(tài)字，實(shí)時(shí)調(diào)整和更改燈的狀態(tài)。教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)燈狀態(tài)字格式為“a*.b”，而“a”和“b”表示狀態(tài)字的開(kāi)始和結(jié)束。如表1 所示。

表1 LED 控制端的控制狀態(tài)字取值及其定義Tab.1 The value and definition of the control status word of the LED control terminal

2.3 基于超聲成像技術(shù)的弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

校園公共廣播系統(tǒng)作為校園的業(yè)務(wù)廣播，它在學(xué)校的日常教學(xué)中起著重要作用。根據(jù)教學(xué)管理的需要，每個(gè)班級(jí)必須單獨(dú)管理?；馂?zāi)傳播區(qū)域一般根據(jù)火災(zāi)區(qū)域設(shè)置，不足以靈活應(yīng)用于教學(xué)業(yè)務(wù)。因此，校園傳輸不應(yīng)與消防傳輸共享同一系統(tǒng)。校園廣播經(jīng)常用于學(xué)校的教學(xué)階段，故障率很高。使用網(wǎng)絡(luò)連接很難確定故障原因，這對(duì)學(xué)校來(lái)說(shuō)并不太不便。因此，建議數(shù)字校園廣播系統(tǒng)單獨(dú)連接，不與校園網(wǎng)或其他硬件網(wǎng)絡(luò)共享網(wǎng)絡(luò)。在以太網(wǎng)中，當(dāng)一條消息從節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層生成到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層以接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息時(shí)，延遲主要包括：頂層處理和發(fā)送節(jié)點(diǎn)隊(duì)列延遲、發(fā)送節(jié)點(diǎn)MAC 隊(duì)列延遲、接收節(jié)點(diǎn)MAC 隊(duì)列延遲，接收節(jié)點(diǎn)MAC 層上的消息隊(duì)列延遲、頂部接收節(jié)點(diǎn)層上的處理和消息隊(duì)列延遲等。

2.3.2 電視、電話、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計(jì)分析

內(nèi)部分配系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)室內(nèi)用戶群的成功方案，旨在改善建筑物中的移動(dòng)通信環(huán)境。其原理是使用室內(nèi)型天線電源系統(tǒng)將基站信號(hào)均勻分布在房間的每個(gè)角落，以確保室內(nèi)區(qū)域具有理想的信號(hào)范圍。信號(hào)源包括GSM、WCDMA、WLAN）TD-SCDMA 和其他信號(hào)源，為配電系統(tǒng)提供無(wú)線信號(hào)；信號(hào)分配系統(tǒng)旨在通過(guò)電容器和功率分配器等無(wú)源設(shè)備重定向信號(hào)源，并通過(guò)電力線將信號(hào)均勻地分配到每個(gè)低功率天線，并安裝在建筑物的每個(gè)區(qū)域。

2.3.3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

任何一個(gè)火災(zāi)報(bào)警控制器與火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕、模塊和其他裝置的總數(shù)量和地址合計(jì)不能超過(guò)3200個(gè)。連接到每個(gè)總線電路的設(shè)備總數(shù)要少于200個(gè)，并保留不小于額定容量10%的余量。任何火災(zāi)連接驅(qū)動(dòng)器的地址總數(shù)或火災(zāi)報(bào)警驅(qū)動(dòng)器（連接類型）控制的不同模塊的總數(shù)不得超過(guò)1600點(diǎn)，連接到每個(gè)連接總線回路的設(shè)備總數(shù)不得超過(guò)100點(diǎn)，應(yīng)保留不小于額定容量10%的裕量。

安裝要求：

（1）探測(cè)器距墻壁和梁邊緣的水平距離不得小于0.5m。

（2）距探測(cè)器周圍水平距離0.5m 附近無(wú)遮蔽物。

（3）傳感器到最近空調(diào)出風(fēng)口的水平距離不小于1.5m；距供氣多孔天花板開(kāi)口的水平距離不得小于0.5m。

（4）當(dāng)探測(cè)器安裝在寬度小于3m 的室內(nèi)人行道天花板上時(shí)，應(yīng)安裝在客廳內(nèi)。溫度敏感點(diǎn)式火災(zāi)傳感器的安裝距離不得超過(guò)10m；點(diǎn)式感煙探測(cè)器的安裝距離不得超過(guò)15m。探測(cè)器與端壁之間的距離不得超過(guò)安裝距離的一半。

（5）探測(cè)器應(yīng)水平安裝。如果需要斜坡安裝，斜坡角度不應(yīng)大于45°。

（6）對(duì)于坡度大于15°的鋸齒形屋頂和魚(yú)尾屋頂，應(yīng)在每個(gè)屋脊上設(shè)置一排點(diǎn)探測(cè)器。

（7）格柵吊頂內(nèi)煙霧探測(cè)器的安裝。

鏤空面積與總面積的比例小于15%時(shí)，應(yīng)把探測(cè)器放在在天花板下方。如果空面積與總面積之比不小于30%，應(yīng)把探測(cè)器放在天花板的上方處。當(dāng)空面積與總面積之比大約在15%～30%之間時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際的測(cè)試結(jié)論來(lái)達(dá)到對(duì)探測(cè)器位置的。如果傳感器設(shè)置在天花板上方，且無(wú)法觀察到火警確認(rèn)燈，則火警確認(rèn)燈設(shè)置在天花板下方。當(dāng)空面積與總面積之比為30%～70%時(shí)，探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在吊頂上方和下方。

3 基于超聲成像技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)樓節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是基于因特網(wǎng)的物與物的連接，通過(guò)協(xié)議，可以識(shí)別出物聯(lián)網(wǎng)中的物體，并與其他物體進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別，定位跟蹤，監(jiān)控和智能目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)的核心依然是因特網(wǎng)，它基于因特網(wǎng)，利用目標(biāo)和目標(biāo)的延伸，利用探測(cè)裝置對(duì)被監(jiān)視目標(biāo)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，利用RFID 技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)，及時(shí)精確地傳送有關(guān)目標(biāo)的信息，為以后的信息的智能化處理做好準(zhǔn)備。由于該結(jié)構(gòu)主要為節(jié)能教學(xué)樓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通信距離小，節(jié)點(diǎn)容量大，在本設(shè)計(jì)中，我們將從幾種流行的短程無(wú)線通信技術(shù)中選擇合適的短程通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。

3.2 無(wú)線通信模塊

教學(xué)樓電氣設(shè)備建設(shè)無(wú)線通信模塊廣泛地運(yùn)用車載監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、社區(qū)尋呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、識(shí)別、射頻非接觸智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全和消防，無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)測(cè)、機(jī)器人控制、232 無(wú)線數(shù)據(jù)通信、485.422 無(wú)線數(shù)據(jù)通信，數(shù)字音頻數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域。通常，單片機(jī)模擬2262 是正常的。然而，當(dāng)單片機(jī)模擬2272 解碼時(shí)，通常結(jié)果是遙控距離縮短。

3.3 方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，教學(xué)大樓的電力設(shè)施建設(shè)是一種將計(jì)算機(jī)與傳感技術(shù)相結(jié)合的照明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)教學(xué)樓的常規(guī)光照條件，在實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能管理的最優(yōu)化方面，該方案提出：在自然光照充足的情況下，教學(xué)樓無(wú)需使用任何照明設(shè)施；只有在自然光照不充足的情況下，才能根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱和室內(nèi)的人數(shù)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)；在沒(méi)有人的情況下，自動(dòng)控制的燈光會(huì)被關(guān)掉。同時(shí)，在緊急或特殊情況下，需要手動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉照明，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)添加手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。從而既能達(dá)到節(jié)能，又能達(dá)到照明要求，又能延長(zhǎng)燈泡使用壽命的目的?；谖锫?lián)網(wǎng)的節(jié)能教學(xué)樓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)樓節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of design of energy-saving system for teaching building based on Internet of Things

項(xiàng)目中的無(wú)線通信模塊應(yīng)在其有效通信距離處通過(guò)自組織多跳將信息從每個(gè)類中的ZigBee 節(jié)點(diǎn)發(fā)送到各自的路由節(jié)點(diǎn)，最后，可以和終端客戶進(jìn)行通訊。照明線路是通過(guò)主控制器或PC 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，各節(jié)能系統(tǒng)的分配方案如圖2 所示。

圖2 節(jié)能系統(tǒng)的分布方案圖Fig.2 The distribution scheme of the energy-saving system

在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)各種故障后，如電壓和電流超過(guò)高限和低限，導(dǎo)致沒(méi)有燈光控制和時(shí)間控制，當(dāng)燈光不應(yīng)打開(kāi)和應(yīng)關(guān)閉時(shí)，由于其他設(shè)備和控制器的故障，照明設(shè)備不能正常運(yùn)行時(shí)，故障和故障的位置可通過(guò)通信傳回控制和管理中心，以便于物流管理人員及時(shí)排除故障，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠使不同對(duì)象之間的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人們的日常生活中的應(yīng)用日益廣泛。既提倡企業(yè)的管理，又能達(dá)到節(jié)約能源的目的，又能為企業(yè)的后勤管理提供高科技產(chǎn)品的效益。

引用

[1] 顧亞雄,曹亞軍,趙自民.基于超聲成像技術(shù)的套管損傷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2014,33(10):67-69+74.

[2] 馬斌.紫外成像技術(shù)對(duì)高壓電氣設(shè)備外絕緣電暈放電檢測(cè)及故障診斷的研究[D].武漢:武漢大學(xué),2010.

[3] 曹丁文.核磁共振成像技術(shù)和核磁共振電氣及病床開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路[J].智能城市應(yīng)用,2021,04(3):102-105.