陽(yáng)韜 陽(yáng)平華

摘要：我國(guó)高校數(shù)量眾多，高校每年耗電量非常大，其中高校耗能中教學(xué)樓用電占了很大比例，在教學(xué)樓中存在很多浪費(fèi)電能的現(xiàn)象。通過(guò)研究高校用電的特點(diǎn)，結(jié)合用電的實(shí)際情況，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等，設(shè)計(jì)一套智慧節(jié)能教室管理平臺(tái)，該平臺(tái)以教務(wù)系統(tǒng)排課數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用智能化的控制方法，對(duì)各教室的用電設(shè)備集中控制管理，達(dá)到智能化人性化的管理，以更高效的利用電能。

關(guān)鍵詞：智慧節(jié)能;教室管理;無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng);高校信息化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）12-0051-03

節(jié)約能源問(wèn)題是社會(huì)越來(lái)越重視的問(wèn)題，在用電高峰期會(huì)出現(xiàn)一些地方供不應(yīng)求而斷電的現(xiàn)象。大城市的一些社會(huì)服務(wù)部門(mén)，機(jī)關(guān)部門(mén)，工廠等的斷電會(huì)造成巨大的損失，節(jié)約用電能夠在一定程度上減輕社會(huì)的用電負(fù)荷，降低斷電等情況的發(fā)生。

據(jù)教育部的數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)高校共計(jì)2956所，高校的用電設(shè)備多，每年耗電數(shù)量巨大。大部分的高校都存在電能浪費(fèi)的現(xiàn)象，主要集中在教學(xué)樓、圖書(shū)館等場(chǎng)合，因?yàn)楦咝５墓芾硐鄬?duì)比較寬松，教室無(wú)人燈常亮，空調(diào)工作的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，浪費(fèi)了大量的電力資源。

近年來(lái)備受關(guān)注的高校用電監(jiān)管尤為重要。這項(xiàng)研究主要是以華南理工大學(xué)廣州學(xué)院節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)為基礎(chǔ)，基于學(xué)校用電現(xiàn)狀設(shè)計(jì)節(jié)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)信息專(zhuān)用傳輸，通過(guò)節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)得到的數(shù)據(jù)分析挖掘校園建筑的節(jié)能潛力，為高校校園的節(jié)能改造工程提供有力的技術(shù)支持和豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。

智慧節(jié)能教室管理平臺(tái)主要是體現(xiàn)智能自動(dòng)控制，學(xué)校加入該系統(tǒng)的設(shè)備都能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一管理，根據(jù)學(xué)校的課表排課數(shù)據(jù)，臨時(shí)調(diào)課數(shù)據(jù)，以及教學(xué)樓管理員的超級(jí)賬戶(hù)權(quán)限，可以實(shí)時(shí)的管理，以達(dá)到節(jié)約電能，保證電能高效利用。

目前由很多教室用電設(shè)備的管理系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備要求較高，教室的用電設(shè)備控制需要通過(guò)布線(xiàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。教室的大部分用電設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制，不能對(duì)用電器的狀態(tài)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程查看。很多高校要實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備集中式的管理，都采取有線(xiàn)的控制方式，對(duì)控制設(shè)備需要布線(xiàn)，很難集中式的管理，尤其是對(duì)于一些比較老的教學(xué)樓，需要重現(xiàn)布線(xiàn)，線(xiàn)路改造非常復(fù)雜，工作量很大。另外有線(xiàn)的控制方式會(huì)增加系統(tǒng)的成本，浪費(fèi)資源。有線(xiàn)的方式會(huì)存在線(xiàn)路問(wèn)題，在大量的設(shè)備和線(xiàn)路中如果部分設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，很難查找問(wèn)題。

因此研究一套通用的基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智慧節(jié)能管理平臺(tái)具有非常重要的意義，可以應(yīng)用于絕大部分教學(xué)樓，對(duì)教室原有線(xiàn)路做細(xì)小的改動(dòng)，省去布線(xiàn)的麻煩，就能遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和管理用電設(shè)備。

1系統(tǒng)整體框架

基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的教室節(jié)能管理平臺(tái)，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號(hào)，對(duì)教室中的用電設(shè)備控制管理，該管理平臺(tái)從后勤管理中心到教室里的用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和學(xué)校有線(xiàn)局域網(wǎng)相結(jié)合的大型教室節(jié)能管理系統(tǒng)。

管理平臺(tái)包括后勤管理中心，教學(xué)樓控制臺(tái)，樓層控制節(jié)點(diǎn)，教室中繼結(jié)點(diǎn)，教室內(nèi)用電器節(jié)點(diǎn)等，管理采用分布式控制模式。教務(wù)系統(tǒng)、后勤管理中心、教學(xué)樓控制臺(tái)以及各層樓的控制節(jié)點(diǎn)之間采用的學(xué)校的有線(xiàn)局域網(wǎng)傳輸信號(hào)，各層樓的控制節(jié)點(diǎn)與教室內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)，整體控制框架如下圖1所示：

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

節(jié)能管理平臺(tái)基于節(jié)能的需要，在設(shè)計(jì)上要體現(xiàn)節(jié)能控制的功能，系統(tǒng)在整體硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，軟件完成控制功能，根據(jù)預(yù)先設(shè)的控制方法對(duì)教室中的用電設(shè)備完成自動(dòng)控制，系統(tǒng)選用的低功耗的zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室用電設(shè)備的控制。在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程會(huì)有多種情況，比如某些教室需要臨時(shí)開(kāi)會(huì)或者臨時(shí)調(diào)課的情況，因此每個(gè)教室的設(shè)備應(yīng)該有多種控制模式，本系統(tǒng)設(shè)置三種控制模式：

（1）自動(dòng)控制模式：系統(tǒng)運(yùn)行后的默認(rèn)模式，后勤管理中心根據(jù)教務(wù)系統(tǒng)的排課數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)教室中的用電設(shè)備統(tǒng)一管理。當(dāng)該教室有課將提前開(kāi)啟教室的燈和多媒體講臺(tái)，在夏季根據(jù)設(shè)置溫度等情況開(kāi)啟教室的空調(diào)，在下課如果教室下一節(jié)沒(méi)有課，會(huì)在下一節(jié)課時(shí)間關(guān)閉教室中的用電設(shè)備。后勤管理中心可以實(shí)時(shí)的調(diào)整每個(gè)教室的用電設(shè)備的狀態(tài)。

（2）獨(dú)立控制模式：在自動(dòng)控制模式下，每個(gè)教師通過(guò)后勤系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)后，可以驗(yàn)證指紋后將所在教室設(shè)置為獨(dú)立控制模式，教師有權(quán)限對(duì)教室中的用電設(shè)備控制，通過(guò)每個(gè)教室內(nèi)的人機(jī)觸摸屏和開(kāi)關(guān)控制。

（3）智能控制模式：在自動(dòng)控制模式開(kāi)啟的前提下，可以切換到智能控制模式，在系統(tǒng)預(yù)設(shè)值參數(shù)的情況下，可以根據(jù)設(shè)置的參數(shù)如溫濕度、光照強(qiáng)度等決定是否開(kāi)啟教室中的日光燈或者空調(diào)等設(shè)備。

2.1后勤管理中心

后勤管理中心的機(jī)房服務(wù)器運(yùn)行了整個(gè)學(xué)校用電系統(tǒng)的管理軟件，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地對(duì)每個(gè)用電單位（主要是教室）的每臺(tái)用電設(shè)備（電燈、空調(diào)、多媒體設(shè)備）進(jìn)行控制，可以實(shí)時(shí)獲取每個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)和工作環(huán)境的狀態(tài)，在后勤管理中心可視化顯示。后勤管理中心主要是由管理主機(jī)，大型電子顯示屏組成，運(yùn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)和管理軟件。

后勤管理中心和教務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接，能夠?qū)崟r(shí)的獲取所有教室排課情況，能夠根據(jù)各個(gè)教室的上課安排，發(fā)出控制指令，對(duì)各個(gè)教室的設(shè)備進(jìn)行控制。

后勤管理中心軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)據(jù)生成、教室管理、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、通信模塊、設(shè)備控制以及人機(jī)交互等模塊。

數(shù)據(jù)生成：采集教務(wù)系統(tǒng)的排課數(shù)據(jù)，外部導(dǎo)人控制數(shù)據(jù)，或者臨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)，生成教室的控制數(shù)據(jù)。

教室管理：管理學(xué)校的各個(gè)小區(qū)，每個(gè)教學(xué)樓以及教室。

環(huán)境監(jiān)控：主要是教室內(nèi)部的傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)光照強(qiáng)度和溫濕度，這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?，作為控制每個(gè)教室電燈和空調(diào)開(kāi)啟的依據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)每個(gè)教室，每棟教學(xué)樓的耗電情況，會(huì)生成日周月年耗電表，管理者可以在管理中心查看。

通信模塊：完成與教務(wù)系統(tǒng)通信，與各教學(xué)樓控制臺(tái)的通信。

設(shè)備控制：控制每個(gè)教室節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，有智能控制模式和課表優(yōu)先控制模式。

人機(jī)交互：在后勤管理中心用大屏幕顯示，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，包括各個(gè)教學(xué)樓的運(yùn)行狀態(tài)，各個(gè)教學(xué)樓的每個(gè)教室的狀態(tài)，還有子菜單顯示教室中每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，可以通過(guò)在操作臺(tái)進(jìn)入各個(gè)子菜單查看數(shù)據(jù)和顯示狀態(tài)。

2.2教學(xué)樓控制部分

教學(xué)樓控制臺(tái)主要是臺(tái)式電腦組成，與后勤管理中心通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，教室內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器將檢測(cè)到室內(nèi)數(shù)據(jù)（溫濕度，光照強(qiáng)度等）傳到后勤管理中心，后勤管理中心軟件根據(jù)教室環(huán)境數(shù)據(jù)和排課信息，生成控制數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)教學(xué)樓控制臺(tái)存儲(chǔ)在本地，最后發(fā)送到各層樓的節(jié)點(diǎn)。

各層樓節(jié)點(diǎn)主要以stm32F407為核心，設(shè)置了以太網(wǎng)接口和zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，zigbee網(wǎng)絡(luò)接口以cc2530為核心，以太網(wǎng)接口主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口芯片LAN8720來(lái)實(shí)現(xiàn)。樓層節(jié)點(diǎn)接收到控制數(shù)據(jù)包后，解析成各教室的控制數(shù)據(jù)，通過(guò)zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送每個(gè)教室。Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是以協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，樓層節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，以cc2530為核心產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)PA-NID，每層樓教室的控制節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)這個(gè)PANID連接到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，接收信號(hào)。

3教室控制部分

3.1教室中繼節(jié)點(diǎn)

教室控制節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，節(jié)點(diǎn)電路由cc2530為核心，通過(guò)UART口連接人機(jī)組態(tài)觸摸屏，cc2530編程實(shí)現(xiàn)modbus協(xié)議與人機(jī)觸摸屏通信，可以輸入設(shè)置信號(hào)和控制，同時(shí)可以顯示每個(gè)教室環(huán)境數(shù)據(jù)如溫濕度和光照強(qiáng)度等，教室控制節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)的作用，能夠起到信號(hào)的橋接作用。

教室控制端可以進(jìn)行模式的切換，教師進(jìn)入教室后，需要調(diào)整教室用電器工作狀態(tài)的，可以在門(mén)禁系統(tǒng)刷入指紋識(shí)別后，可以在人機(jī)觸摸屏設(shè)置控制參數(shù)，教師設(shè)置的數(shù)據(jù)會(huì)傳輸回到后勤管理中心記錄。

3.2設(shè)備控制終端節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)最終的控制對(duì)象主要是教室的設(shè)備，包括教室門(mén)鎖開(kāi)關(guān)，多媒體講臺(tái)，教室空調(diào)和電燈等，所有的這些用電設(shè)備都作為控制終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)教室中都會(huì)安裝溫濕度傳感器和光敏傳感器檢測(cè)教室內(nèi)的信號(hào)作為檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)，傳感到二級(jí)控制節(jié)點(diǎn)，最后可以傳回后勤管理中心。

所有的終端節(jié)點(diǎn)都是以cc2530為核心，通過(guò)10端口PO和P1進(jìn)行輸出控制，以74LVC245作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)光耦隔離芯片6N137，控制繼電器，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)燈和風(fēng)扇、空調(diào)、門(mén)鎖、多媒體講臺(tái)控制，教室中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)zigbee網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸控制數(shù)據(jù)。

3.2.1門(mén)禁控制節(jié)點(diǎn)

教室的門(mén)鎖開(kāi)關(guān)作為zigbee網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，以cc2530為核心，通過(guò)繼電器控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)，在教室有課會(huì)提前自動(dòng)打開(kāi)教室門(mén)鎖，當(dāng)教室沒(méi)有課情況下，只要門(mén)被拉合會(huì)自動(dòng)鎖上，但是可以在內(nèi)部通過(guò)開(kāi)關(guān)打開(kāi)教室門(mén)鎖，這樣防止學(xué)生被鎖在教室內(nèi)。

在教室沒(méi)有課的情況下，只有管理人員有權(quán)限，從外部打開(kāi)教室門(mén)鎖，這樣既可以保證教室內(nèi)部到人不會(huì)鎖住，同時(shí)也能夠在教室內(nèi)沒(méi)有人的情況下，教室外面到人不能夠隨意進(jìn)入。系統(tǒng)可以添加教師權(quán)限，學(xué)校所有教師可以通過(guò)錄入指紋到后勤管理系統(tǒng)，如果某個(gè)老師在某天在哪個(gè)教室有課，后勤系統(tǒng)則會(huì)下發(fā)這個(gè)指紋數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的教室控制端，這個(gè)老師則可以通過(guò)指紋打開(kāi)這個(gè)教室的門(mén)。

3.3.2多媒體講臺(tái)節(jié)點(diǎn)

多媒體講臺(tái)也通過(guò)系統(tǒng)控制，如圖5所示，以cc2530為核心，作為一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)教室有課時(shí)，該教室接收到上課的控制信號(hào)后，提前打開(kāi)多媒體設(shè)備電源，發(fā)出啟動(dòng)多媒體設(shè)備信號(hào)進(jìn)行控制，同時(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)光敏傳感器采集室內(nèi)的光照強(qiáng)度信息，決定是否需要開(kāi)燈。

3.2.3空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)

空調(diào)控制終端如圖7所示，以cc2530為核心，作為zigbee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，接收到啟動(dòng)空調(diào)的控制信號(hào)后，首先是啟動(dòng)空調(diào)電源，再與空調(diào)控制板建立通信連接，發(fā)送控制信號(hào)，讓空調(diào)工作在相應(yīng)的模式，控制相應(yīng)的溫度等，同時(shí)這個(gè)終端上面帶有溫濕度傳感器，可以采集教室內(nèi)的溫濕度，將溫度信息返回后勤管理端，后勤管理中心決定是否需要開(kāi)啟空調(diào)。

4總結(jié)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了后勤管理中心對(duì)各個(gè)教學(xué)樓的設(shè)備遠(yuǎn)程控制和管理，并且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)受控用電設(shè)備的狀態(tài)和教室的環(huán)境，后勤管理中心針對(duì)各個(gè)教室的環(huán)境，根據(jù)學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)課表數(shù)據(jù)庫(kù)各個(gè)教室的設(shè)備進(jìn)行控制。

基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能教室管理系統(tǒng)，省去了布線(xiàn)的麻煩，安裝布置方便快捷，通過(guò)教務(wù)系統(tǒng)和后勤系統(tǒng)的管理控制，能夠有效地控制各個(gè)教室的用電設(shè)備，節(jié)約更多的電力資源，讓電力資源更加高效的服務(wù)于高校管理和教學(xué)。