高校教室照明节能智能控制系统设计
⇨⇦
谢一凡+陈华丽
摘 要： 为解决目前大学教室灯光长明造成的电量浪费问题，提出了由MSP430单片机、光频转换器和人体感应传感器组成的节能智能控制系统，通过合理安排时间以及综合处理人体和光强信号，来实现灯光的智能开、关，从而达到节能的目的。
关键词： 单片机；节能；智能控制
Abstract： This paper developing a system to solve the energy waste problem caused by the long time lighting in university classrooms. The system is composed of MSP430 single chip microcomputer， light-to-frequency converter and infrared sensor. Through making reasonable arrangements of time， processing physiology signal and light intensity comprehensively， the system saves significant energy and works intelligently.
Key words： MCU；energy-saving； intelligent control
社会可持续发展的主要问题在于能源，节约能源需要我们从生活的方方面面做起。仅以高校教室为例，由于管理不够科学规范，每年都会有大量的电力资源白白浪费。我国高校目前的教室灯光管理绝大多数依赖人工，由于教室数量多，管理员无法对每间教室都实施及时的控制，常常出现教室无人时开灯、光线充足时也开灯的＂长明灯＂现象，造成了不必要的电能浪费和经济损失。以我校为例，就公共教学区来说，粗略统计大约有30000盏灯，每盏灯36W，按每天亮灯（从早晨8点到晚上9点正常运行）13个小时计算，扣除一年三个月的假期，一年教室照明的耗电量大约为389.08万度，依照现行电价0.573元/度，学校在教学楼耗电上要支出约222.94万元。若按每天只浪费用电2小时，则白白流失的就有61.24万度电，多支出34.3万元。试想全国所有高校每天浪费的电量该是多么庞大的数字。为了解决这种情况，设计出高校教室照明节能智能控制系统，使教室灯光能够按需分配，实现人到灯开、人走灯灭、智能节能。
一、系统整体设计
系统采用由上下位机组成的主从式结构，对教室进行分区域控制[1]。主机通过网络控制各个教室中的下位机，对不同的区域安装光频转换器和人体感应传感器，分别测量教室内的光强和人员分布情况，实现教室内不同区域的灯光开关，从而能够有效节省电源。
各个教室中的下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，以光强及人体信号作为系统启动后开关灯的判断标准。在工作时间内，如有模式信号输入则系统进入相应的模式；若无，则进入自习模式。不在工作时间，如有手动信号输入，则根据手动任务的设定运行；若无，则关闭所有的灯。
系统预置有不同的工作模式：讲课模式、自习模式，供用户根据需要进行选择使用，且各模式之间可以自动切换，使操作更加便捷。
1.讲课模式。由于每个教室排课不同，通过上位机PC软件将对应课表下载到不同的教室，将＂有课＂、＂无课＂分别设置为＂1＂和＂0＂，存储在下位机的FLASH中[2]。下位机则处于定时工作状态，每堂课开始的前5分钟，教室中的下位机会进行一次判断，如果对应有课，则开启讲课模式，教室灯光全开；如果没有课，则关闭教室全部灯光，进入＂自习模式＂。
特别地，有时存在教师临时更换上课地点，故讲台上也放置一个人体感应传感器，在进入讲课模式后，每隔5分钟探测1次讲台上是否有人上课，执行2次这样的操作，并将2次检测结果取逻辑＂或＂运算。如果为＂真＂，则说明有人上课，继续执行＂讲课模式＂；如果为＂假＂，则进入＂自习模式＂。下位机的判断过程如图1所示。
2.自习模式。将教室分为A、B、C、D四个区域，如图2所示，每个区域房顶正中放置一个人体感应传感器HC-SR501[3]和光频转换器[4]。当下位机处于自习模式时，输入参数为人体存在信号和光强度信号，若某区域的人体感应传感器检测到有效信号，系统判断此时光频转换器采集到的光强，如果高于设定阈值（光线较弱），则打开对应区域的日光灯；如果低于阈值（外界光线很强），无论教室是否有人，都不开灯，如图3所示。
图2 教室内区域划分图
图3 自习模式流程图
二、系统具体设计
1.上位机设计。用C#编写含有以下2个功能的软件[5]：①能将课程表分别导入到各教室中的下位机；②能将各下位机的灯光开关状态显示在上位机界面。
将教学楼的所有教室组成网络结构，如图4所示。管理人员通过上位机PC上的软件实现对各个教室的监控，用MSP430芯片制作一个中转控制器[6]，如图5所示，作为上下位机间的枢纽，保证通信的有效性。
上位机软件从教务处导出各个教室的本学期的课表，用数据库SQL Sever存储[7]。同时设置为每天凌晨向各个下位机发送每天更新后的课表信息，PC机与中转控制器的RS232接口建立通信[8]，由于每个教室在IIC总线上都有唯一地址，此时IIC总线通过总线裁决，决定哪个教室占用总线，中转控制器通过IIC接口将信息发送至对应教室。在更新完课表信息后，中转控制器设置为从机，各个下位机定时将教室灯光信息反馈至上位机界面，使得管理人员能够掌控每个教室具体的灯光情况，提高了监控效率。
2.下位机设计。下位机的课表、灯光信息存储在单片机FLASH中，从而能够实现掉电保护。系统还加入密码控制，以增加系统运行的安全性。通过键盘完成设定密码、初始化时间。时钟模块采用芯片DS1302[9]，该芯片不仅能够显示秒、分、时、日期、月份和年份信息，还可实现掉电保护，为时钟电路提供电源，如图6所示。
下位机以时间作为启动和关闭系统的依据，以光强及人体信号作为系统启动后开关灯的判断标准。将时间作为控制依据进一步加强对节能的监管，明确工作时间与非工作时间的界限。
具体来说，将6：00～22：00设置为工作时间，在工作时间段内系统自动在＂讲课模式＂和＂自习模式＂之间随时间的变化不断切换；在非工作时间内，系统自动关闭，实现节能。而系统在不同的模式下开关灯的标准不同，讲课模式下灯光自动全开，也可根据需要手动强制开关灯；自习模式下，将人体感应模块HC-SR501参数设置为延时时间1分钟和可重复触发，光频转换模块阈值设定为白天不低于150lx，晚上不低于200lx。当有人体信号后，判断此时光强，若高于阈值不开灯，低于阈值开灯。这样只要人仍在有效探测区域内，人体感应传感器便能不断检测到，延时被重复触发，而不在时，该区域灯灭。从而实现人到灯开，人走灯灭。
3.人数统计。在教室门口放置人数统计装置，其分布图如图7所示，A、B处各放置一个红外收发对管，当无人通过时电压保持不变，设为状态＂0＂，有人通过时电压变化，设为状态＂1＂。有A、B状态真值表如表1所示。
程序中设置全局变量判断教室内人数，当红外接收管电压发生变化时系统发生中断，通过查询数组值判断A、B的变化情况。例如当有人进门时，A由＂0＂变为＂1＂，B仍为＂0＂，将总人数值加1；同理，当B由＂0＂变为＂1＂时，总人数值减1；当A、B皆为＂1＂时，说明同时有人进出，此时总人数不变。
上位机可以通过软件了解各个教室的实时人数，从而大致判断教室内上课的出勤率。同时可以计算出各个教室的空位数，学生可以通过大厅的显示画面了解去哪个教室自习。
三、结束语
系统的设计从低碳、环保的理念出发，立足于节能，适用于高校教室照明控制。采用多模式控制，实现各模式之间的自动转换，满足教室上课、自习、多媒体等多用途的需求。课表模式的引入不仅从全局上能够网络化管理灯光，也能实现局部的差异性。通过实际测试，人数判断较为精准，但是当两人同时进出门时统计可能产生误差。
参考文献
1 谢兴红.MSP430单片机基础与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008
2 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006
3 黎洪生， 刘苏敛， 胡冰等.基于无线通信网络的智能路灯节能系统[J].计算机工程， 2009，35（14）：190～191，214.
4 闫军威， 林海杰， 彭响方.基于 LonWorks 技术的路灯节能控制系统[J].电力电子技术，2009， 43（9）：47～49.
5 胡开明， 李跃忠， 卢传华.智能路灯节能控制器的设计与实现[J]. 现代电子技术， 2009，34（9）：143～145.
6 申田宝， 吕俭荣， 储惠等.智能照明节电器的技术特性与应用[J].上海节能， 2004，10（3）：29～31
7 吴瑶， 姜建国.基于模糊控制的节电照明系统[J].工矿自动化， 2005， 25（12）：82～85
8 吴永桥， 金康进， 施广林.基于单片机的节电照明控制系统[J].世界电子元器件， 2004，22（4）：47～49
9 刘三梅， 程韬波， 胡战虎.基于GPRS/WEBGIS 的路灯节能监控系统的设计与实现[J].计算机工程与设计， 2008，29（1）：187～189