楊 婕,胡澍山,曹洪武

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

近年來,隨著國內(nèi)高校辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大,很多高校普遍擁有數(shù)量眾多的教學(xué)樓宇,但多數(shù)學(xué)校的照明設(shè)備管理仍然以人工管理方式為主,對(duì)無人教室缺乏有效的照明控制,在一定程度上存在電力資源浪費(fèi)的問題。因此,本文結(jié)合新疆塔里木大學(xué)3棟主教學(xué)樓用電現(xiàn)狀,將無線通信技術(shù)和熱釋電人體紅外控制技術(shù)引入照明控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一套基于無線網(wǎng)絡(luò)和熱釋電人體紅外的智能節(jié)能照明系統(tǒng),即T8型燈+智能照明控制系統(tǒng)。照明系統(tǒng)安裝人體紅外檢測器,系統(tǒng)后臺(tái)與教務(wù)處數(shù)據(jù)庫相結(jié)合,以此來實(shí)時(shí)獲取各教室用能狀況數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以人體紅外感應(yīng)數(shù)據(jù)以及教室用能情況為主要控制條件,用電時(shí)間作為輔助條件,從根本上達(dá)到“無人燈滅”“有人燈開”的高效節(jié)能目的[1]。

1 背景分析

本文以塔里木大學(xué)綜合樓、逸夫樓、二號(hào)樓3棟教學(xué)主樓為調(diào)查模型,從用電時(shí)間出發(fā),對(duì)方案A(T8型LED燈+傳統(tǒng)照明),方案B(T8型LED燈+基于無線網(wǎng)絡(luò)和熱釋電人體紅外的智能節(jié)能照明)進(jìn)行可視化比較分析。

綜合樓現(xiàn)有普通教室84間,階梯教室6間;逸夫樓現(xiàn)有普通教室15間,階梯教室18間;二號(hào)樓現(xiàn)有普通教室84間。普通教室照明負(fù)荷為0.9 kW,階梯教室照明負(fù)荷為1.1 kW。結(jié)合塔里木大學(xué)作息時(shí)間表以及阿拉爾市不同季節(jié)平均日照時(shí)長,日均最高最低氣溫,計(jì)算出除去學(xué)生放假時(shí)間阿拉爾市夏季晴天天數(shù)79天,陰天天數(shù)12天;冬天晴天天數(shù)132天,陰天天數(shù)47天。由此可得出方案A下不同季節(jié)、不同天氣下綜合樓每年消耗電能總量。具體耗電量如表1所示。

表1 3棟教學(xué)主樓年用電量 單位:kW·h

根據(jù)國家電網(wǎng)新疆供電公司2022年5月最新發(fā)布的阿拉爾市最新電價(jià)顯示,塔里木大學(xué)執(zhí)行電價(jià)為0.39元/kW·h。由此,通過計(jì)算方案A,塔里木大學(xué)3棟教學(xué)主樓年用電費(fèi)用約10.43萬元。

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù),本文設(shè)定了一個(gè)模型,以照明設(shè)備為中心的120°范圍作為可以照亮的人體輻射范圍。基于這一設(shè)定,可以測算出該設(shè)備的工作范圍,確?？梢愿采w周圍的10個(gè)座位。同時(shí)設(shè)備設(shè)定,如果照明設(shè)備正常啟動(dòng)后2 min內(nèi),無法感應(yīng)人體到所輻射的紅外線,就會(huì)自動(dòng)熄滅。

通過測試,此系統(tǒng)設(shè)備節(jié)能率達(dá)32%左右。在方案B下,以塔里木大學(xué)為例的3棟教學(xué)主樓年用電費(fèi)用共計(jì)比方案A減少5.03萬元。塔里木大學(xué)3棟教學(xué)主樓不同方案比較如表2所示。

表2 塔里木大學(xué)3棟教學(xué)主樓不同方案比較

由表2可知,對(duì)比方案A、方案B,塔里木大學(xué)一年僅3幢教學(xué)樓將節(jié)省3.82萬kW·h的電量,預(yù)計(jì)節(jié)省用電費(fèi)用5.03萬元。綜上,方案B為最佳方案。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案包括軟件端、硬件端以及服務(wù)器。軟件端通過結(jié)合底層基于MQTT協(xié)議對(duì)教室內(nèi)人體紅外信號(hào)的感應(yīng),以及讀取數(shù)據(jù)庫中預(yù)先導(dǎo)入的課程表上課時(shí)間,生成決定教室照明設(shè)備開啟或關(guān)閉的數(shù)據(jù)。通過對(duì)人體紅外信號(hào)數(shù)據(jù)的接收發(fā),實(shí)現(xiàn)用控制板自動(dòng)控制照明系統(tǒng)的開關(guān)功能以及利用軟件端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控教室中照明設(shè)備使用情況,從一定程度上解決高?！盁o人燈亮”所帶來的電能損耗問題。

系統(tǒng)基于STM32與Qt框架,內(nèi)部通信橋是通過以太網(wǎng)建立的,采用MQTT協(xié)議接收并解析服務(wù)器發(fā)送的指令。底層利用ZigBee協(xié)議[2],將STM32單片機(jī)發(fā)出的指令傳輸?shù)狡渌麊纹瑱C(jī),以此來控制照明設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)用控制板自動(dòng)控制和監(jiān)控教室中的照明用電設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部研究分為以下3個(gè)模塊。

(1)硬件端的指令接收以及發(fā)送:①選用外時(shí)鐘作為系統(tǒng)的工作電路[3]。運(yùn)用搭載KSZ8081芯片以及帶有以太網(wǎng)口的STM32單片機(jī),底層接收并解析服務(wù)器傳達(dá)是否需要開燈的指令。CC2530作為通信板連接在STM32單片機(jī),將STM32發(fā)出的指令傳輸至各個(gè)照明設(shè)備。②底層采用支持ZigBee協(xié)議的子設(shè)備,負(fù)責(zé)收集和傳輸傳感器監(jiān)測的人體熱量信號(hào)數(shù)據(jù),其工作范圍在以燈管為圓心的120°范圍內(nèi)。經(jīng)過解析,利用MQTT協(xié)議將該信號(hào)傳輸至服務(wù)器直至終端[4]。

(2)軟件端的可視化界面設(shè)計(jì)以Qt為編輯框架,主要對(duì)照明設(shè)備監(jiān)視圖以及照明設(shè)備開關(guān)控制2個(gè)可視化界面進(jìn)行開發(fā)。

(3)數(shù)據(jù)庫的搭建與數(shù)據(jù)收發(fā):為完成與教務(wù)處數(shù)據(jù)庫匹配并避免數(shù)據(jù)交叉,本部分將在仿真實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。軟件與服務(wù)器連接完成后運(yùn)行在虛擬機(jī)中,服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫課表排課時(shí)間數(shù)據(jù)以及各教室路由IP進(jìn)行讀取。此外,將設(shè)置不同參數(shù),模擬現(xiàn)實(shí)場景,使得在仿真實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)庫中的課表也會(huì)隨著預(yù)約教室、調(diào)課等情況作出調(diào)整。

3 系統(tǒng)指令的接收與發(fā)送

本部分運(yùn)用MQTT協(xié)議,系統(tǒng)整體內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸路徑:控制端將數(shù)據(jù)發(fā)送到代理服務(wù)器,代理服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)內(nèi)的一塊STM32單片機(jī)。該單片機(jī)作為教室指令傳輸中轉(zhuǎn)站,最終數(shù)據(jù)由基于ZigBee協(xié)議的CC2530發(fā)送到其他終端。ZigBee是低速短距離的無線傳輸協(xié)議,在一定范圍內(nèi),使用該協(xié)議的設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng),一般會(huì)組成星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備會(huì)以3種形式存在[5]。

基于ZigBee協(xié)議的特點(diǎn),內(nèi)部安裝MQTT協(xié)議的路由器向硬件端中的一個(gè)STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)指令轉(zhuǎn)發(fā),STM32作為中轉(zhuǎn)站對(duì)指令進(jìn)行解析,解析完成后,如果判斷出該指令不是單片機(jī)所需要的,則STM32單片機(jī)通過串口將該指令傳輸?shù)紺C2530通信板上。CC2530作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器,向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的其他終端發(fā)送指令。其他終端收到指令后,按照指令進(jìn)行操作?；赯igBee協(xié)議的信息收發(fā)流程如圖2所示。

圖2 基于ZigBee協(xié)議的信息收發(fā)流程

4 硬件端模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由在每間教室以多個(gè)STM32單片機(jī)和CC2530通信板構(gòu)成的統(tǒng)一整體的形式組成。其中一個(gè)整體的STM32通過以太網(wǎng)連接到MQTT代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)指令的接收與發(fā)送,這部分稱為總機(jī)。CC2530作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)路由節(jié)點(diǎn),當(dāng)?shù)讓尤梭w紅外感應(yīng)模塊感應(yīng)到數(shù)據(jù)并利用CC2530向總機(jī)下達(dá)數(shù)據(jù)指令時(shí),總機(jī)讀取并解析指令,再由串口將指令發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上,CC2530將指令發(fā)送到各個(gè)終端,最終通過控制繼電器的開關(guān)間接控制照明設(shè)備的開關(guān)。硬件端部分設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 硬件端部分設(shè)計(jì)

5 軟件端模塊設(shè)計(jì)

軟件端模塊采用Qt框架對(duì)整套軟件進(jìn)行可視化設(shè)計(jì),構(gòu)成軟件端的圖形化用戶界面?？梢暬缑嬷饕獙?shí)現(xiàn)了照明設(shè)備監(jiān)控界面以及照明設(shè)備開關(guān)控制視圖。其中,監(jiān)控界面以監(jiān)控視圖為主要形式,管理人員可觀察照明設(shè)備的工作狀態(tài);照明設(shè)備開關(guān)控制視圖中,包含所有教室照明設(shè)備控制控件、教室總電源控制控件以及單獨(dú)燈管控制控件,此界面也可單獨(dú)顯示,并具有一鍵開關(guān)功能。

數(shù)據(jù)庫搭建與數(shù)據(jù)接收發(fā)部分為仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,軟件運(yùn)行后采用自適應(yīng)匹配,最終實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)教室路由的連接。數(shù)據(jù)信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街付ǖ腟TM32單片機(jī),實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)完成控制照明系統(tǒng)開關(guān)的任務(wù)。

6 結(jié)語

基于無線網(wǎng)絡(luò)和熱釋電人體紅外的智能節(jié)能照明系統(tǒng)將對(duì)采集到的人體紅外信號(hào)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中課表數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,完成是否開啟照明設(shè)備的指令的判斷,并將該指令發(fā)送至各個(gè)智能節(jié)能照明系統(tǒng),以此完成對(duì)教室的分區(qū)域、分時(shí)間段管理,在一定程度上達(dá)到了節(jié)能目的。