教室节能控制系统设计

河南理工大学电气工程与自动化学院 杨天翔 卢贞如 李子彦 张宏伟

为解决教室用电浪费问题，提出了一种基于物联网技术的教室节能控制系统。该系统实时监测教室的光照度、温度、人数信息，并根据室内人员情况控制教室风扇及照明设备的启停。设计了数据采集电路、RS-485通信接口、单片机控制电路，编写了控制程序。仿真及实验结果表明，该系统可以实现教室的信息化，有效节约能源。

学校是重要的用电大户，而教室用电量在学校占有较大比例。教室电能消耗主要包括照明及夏季风扇用电。为解决教室照明用电浪费问题，目前采取的节能措施主要包括：加强节能意识宣传、规范教室用电相关规章制度、减少开放教室数量、派专人定期巡查等。以上措施虽然在一定程度上节约照明能耗，但限制了可用教室数，不利于调动学生的学习积极性。开放的教室通常开启所有照明设备，未根据室内人员情况和光线强弱对照明灯具进行自动控制和智能化的科学管理，用电浪费现象依然比较严重。

随着计算机和网络技术的发展，物联网技术已被应用于工农业生产领域。李京慧、王华等利用ZigBee技术实现智能教室网络通信，张峰、伍世云等利用单片机实现智能教室控制，刘娣采用机器视觉实现人员识别。本文利用嵌入式系统和物联网技术，设计了一种教室节能控制系统，可有效节约能源。

1 系统总体方案设计

系统总体结构图如图1所示，主要由监控计算机、RS485通信电路，节能控制模块三部分组成。节能控制模块基于单片机设计，实时监测教室信息，对照明灯、电风扇等电器设备进行控制，同时通过RS485通信电路将数据发送至上位机进行远程监控计算机。监控计算机实现各个教室集中监控。

2 节能控制电路设计

节能控制模块采用STC12系列单片机，由电源电路、时钟电路和复位电路组成最小系统。信息采集电路主要采集温度、光照度和教室人员数量等信息。

2.1 信息采集电路设计

（1）温度检测电路设计。温度采用DS18B20数字化温度传感器，具有体积小，精度高等特点，温度采集电路如图2所示。

（2）光照强度检测电路设计

图1 系统结构图

图2 信息采集电路模块

光敏电阻阻值随光照的增强而减小，可以使用光敏电阻来捕捉光信号，并通过LM393比较器，产生高低电平，直接输入给单片机的I/O引脚，电路原理图如图3所示。

（3）人员检测电路设计

教室使用TCRT5000一体化反射型红外对管来检测是否有人进入并进行人数统计，并根据人数控制灯的亮灭，电路如图4所示。

对于100人的教室，人数小于10人亮2个灯，10-20人亮4个灯，20-30人亮5个灯，30-40人亮6个灯，40-50亮7个灯，50-60亮8个，大于60人则亮10个灯。

2.2 继电器驱动电路设计

照明及风扇控制采用继电器驱动。单片机端口驱动能力小，无法直接驱动继电器，本系统采用三极管放大电路驱动继电器，同时在继电器线圈两端反并联二极管，起续流作用，保护三极管在继电器关断时不被击穿，继电器驱动电路如图5所示。

图3 光照强度检测电路

图4 人员检测电路原理图

图5 继电器驱动电路

图6 通信接口电路设计

2.3 RS485通信接口电路设计

由于监控室与教室间通信距离较远，本系统采用RS-485通信接口，实现监控计算机与各教室节能控制模块间的通信。RS-485是一种在工业控制及测量领域较为常用的网络之一，传输距离远，抗干扰能力强，协议简单，利用RS-485通信接口可以将多个设备组成一个控制网络。RS-485通信接口电路如图6所示。

结束语：本文设计了一种基于物联网的教室节能监控系统，通过传感器实时采集教室温度、光照强度数据，根据人员、光照及温度信息自动控制设备运行，可以有效节约能源，减轻劳动强度，具有显著的经济和社会效益。