文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.020
中文引用格式: 于新業(yè),,易藝,,郝建衛(wèi). 教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(6):79-82,,86.
英文引用格式: Yu Xinye,Yi Yi,,Hao Jianwei. Design of energy saving control system for teaching building[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(6):79-82,,86.
0 引言
目前,,我國絕大部分高校教學(xué)樓教室內(nèi)的用電設(shè)備(照明燈、風(fēng)扇,、空調(diào)等)使用處于一種由進入教室內(nèi)的人員人工控制的方式,。由于缺乏對教室使用及其內(nèi)用電設(shè)備使用進行科學(xué)合理的控制與管理,因而教室內(nèi)電氣設(shè)備有效利用率不高,,造成資源的嚴重浪費[1],。具體表現(xiàn)為:學(xué)生節(jié)能意識不高,造成巨大的電能浪費,,如教室內(nèi)溫度適宜卻開空調(diào),,光線充足卻打開照明燈,學(xué)生離開教室忘記關(guān)空調(diào),、風(fēng)扇,、照明燈的現(xiàn)象[2];自習(xí)教室開放管理不當造成的電能浪費,,如自習(xí)教室內(nèi)學(xué)生較少卻打開全部的照明燈,、風(fēng)扇等用電設(shè)備[3]。為了解決上述存在的問題,,設(shè)計了一種遠程的教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng),,系統(tǒng)具有遠程控制和管理的功能,既可以通過手機或PC實現(xiàn)對教學(xué)樓中用電設(shè)備進行控制與管理,又可以根據(jù)學(xué)校的通,、斷電安排等要求自動控制教室內(nèi)的用電設(shè)備供電,,還可以根據(jù)教室內(nèi)不同區(qū)域自然光強弱自動開關(guān)分組燈,解決學(xué)生節(jié)能意識不高,、自習(xí)教室開放管理不當?shù)仍斐删薮蟮碾娔芾速M的問題,。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠,、成本較低和易安裝等眾多優(yōu)點,。
1 系統(tǒng)的組成和原理
教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)由教室節(jié)點單元、教學(xué)樓電井控制單元,、教學(xué)樓主控中心單元和電能節(jié)能控制中心單元組成,,其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
教室節(jié)點單元安裝于每間教室的供電入口處或用電設(shè)備開關(guān)控制處,,教學(xué)樓電井控制單元安裝于每棟教學(xué)樓的配電電井,,教學(xué)樓主控制中心單元安裝于每棟教學(xué)樓的配電房,電能節(jié)能控制中心單元安放在整個校園配電管理中心,。手機通過WiFi或GPRS與電能節(jié)能控制中心進行通信,,PC通過WiFi或USB與電能節(jié)能控制中心進行通信。電能節(jié)能控制中心單元,、教學(xué)樓主控中心單元,、教學(xué)樓電井控制單元和教室節(jié)點單元通過通信模塊進行通信。管理者可以在手機或PC上安裝客戶端軟件,,根據(jù)需要通過手機或PC輸入指令和數(shù)據(jù),,通過選定的通信方式(手機選擇WiFi或GPRS,PC選擇WiFi或USB)對電能節(jié)能控制中心單元,、教學(xué)樓主控中心單元,、教學(xué)樓電井控制單元和教室節(jié)點單元進行控制與管理。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括教室節(jié)點單元,、教學(xué)樓電井控制單元,、教學(xué)樓主控中心單元和電能節(jié)能控制中心單元的電路設(shè)計,。
2.1 教室節(jié)點單元的硬件設(shè)計
為了方便施工人員安裝與改造,,教室節(jié)點單元采用單火線供電技術(shù)進行設(shè)計,它主要由單火線接線端,、單火線開關(guān)電源模塊,、線性穩(wěn)壓模塊、微控制器,、無線通信模塊,、繼電器驅(qū)動與檢測保護模塊和多路繼電器組成,其硬件設(shè)計框圖如圖2所示。
市電220 V從單火線接線端的輸入端接入教室節(jié)點單元,,然后分為兩路:一路用于取電,,送給單火線開關(guān)電源模塊和線性穩(wěn)壓模塊,給教室節(jié)點單元的各個電路模塊進行供電,;一路通過教室節(jié)點單元控制的多路繼電器,,給教室的用電設(shè)備提供電源。
微控制器選用ST公司的STM32F103C8T6,,該系列微控制器價格便宜,,資源豐富,是目前流行的微處理器之一,。
繼電器采用松樂繼電器公司的 SRD-12VDC,,線圈工作電壓12 V,帶負載能力為10 A,。
單火線開關(guān)電源模塊型號為DY10A,,該模塊具有外圍電路簡單、輸入電壓范圍寬,、空載電流小,、功耗低和輸出直流電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小等眾多優(yōu)點,。
線性穩(wěn)壓模塊采用ME6203A線性穩(wěn)壓芯片,,具有高輸入直流電壓轉(zhuǎn)低輸出直流電壓的特性,輸入直流電壓最高可達到40 V,,輸出直流電壓為3.3 V,,具有超低靜態(tài)電流,平均值為3 μA,,輸出最大電流為100 mA,。
無線通信模塊采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊[4],模塊除了具有通信功能外,,還可以根據(jù)需要獲取教室內(nèi)各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù),,并進行處理和控制。
觸摸開關(guān)采用電容觸摸開關(guān),,不但可以延長按鍵的使用壽命,,而且比目前所使用繼電器自鎖方式組成的開關(guān)電路的功耗低。
檢測開關(guān)電路由照度檢測開關(guān)電路和人數(shù)檢測開關(guān)電路組成,。為了節(jié)約照明用電,,在教室的多個位置安裝光照度傳感器,照度檢測開關(guān)電路采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網(wǎng)[4],。首先由CC2530F256芯片控制傳感器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù),,然后通過無線通信方式將教室內(nèi)的光照等數(shù)據(jù)回傳給教室節(jié)點單元的STM32微控制器,同時根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進行控制決策。為了實現(xiàn)對自習(xí)教室用電設(shè)備的管理,,增加了人數(shù)檢測開關(guān)電路,,在教室內(nèi)安裝ID識別模塊,用于檢測進入教室的學(xué)生人數(shù),。ID識別模塊分為兩個讀頭,,一個用于進入教室刷卡,一個用于離開教室刷卡,。人數(shù)檢測開關(guān)電路采用以TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片為核心組成的ZigBee模塊進行組網(wǎng)[4],,通過無線方式將教室內(nèi)的人數(shù)等數(shù)據(jù)傳送給教室節(jié)點單元的STM32微控制器,同時根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進行控制決策,,對教室的照明進行分區(qū)供電,。
2.2 教學(xué)樓電井控制單元的硬件設(shè)計
教學(xué)樓電井控制單元是將教學(xué)樓主控制中心單元的控制信號進行轉(zhuǎn)換并實施的裝置,實現(xiàn)該樓棟某個區(qū)域或該樓棟某個電井的斷電和供電,。它由微控制器模塊,、通信模塊、固態(tài)繼電器和交流接觸器組成,,其硬件設(shè)計框圖如圖3所示,。
教學(xué)樓電井控制單元的通信模塊分為有線通信模塊和無線通信模塊,其中無線通信模塊與教室節(jié)點單元的無線通信模塊通信,,有線通信模塊與教學(xué)樓主控制中心單元的通信模塊通信,。
微控制器選用ST公司的STM8S103F3芯片作為微處理器,其內(nèi)部資源豐富,,擁有8 KB Flash,、1 KB RAM,支持2.95 V~5.5 V供電,,成本低,,抗干擾能力強[5]。
固態(tài)繼電器選用FOTEK SSR-25DA,,它具有雙向可控硅輸出,,零電壓開啟,零電流關(guān)斷,,輸入回路與輸出回路之間光隔離,,輸入端與輸出端之間隔離耐壓2 500 V以及直流控交流等眾多優(yōu)點。
根據(jù)給教室供電所需要的電流大小來選擇電流合適的德力西公司生產(chǎn)的交流接觸器,。
微控制器通過通信模塊接收教學(xué)樓主控中心和教室節(jié)點單元的指令,,通過控制固態(tài)繼電器的吸合與斷開來控制交流接觸器的吸合與斷開,,從而達到對教室供電的控制,。
2.3 教學(xué)樓主控中心單元的硬件設(shè)計
教學(xué)樓主控中心單元用于控制該棟樓的集中通電與斷電時間。它由通信模塊、高精度時鐘模塊,、鍵盤與顯示模塊和微控制器組成,,其硬件設(shè)計框圖如圖4所示。
微控制器選用ST公司的STM8S207R芯片作為微處理器,,其內(nèi)部資源豐富,,具有功耗低、成本低,、性能高,、抗干擾能力強等特點[6]。
通信模塊由無線通信模塊和有線通信模塊組成,。無線通信模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片來實現(xiàn),,它與電能節(jié)能控制中心的ZigBee通信模塊組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸。有線通信模塊采用Sipex公司生產(chǎn)的SP485EE芯片來實現(xiàn),,它與教學(xué)樓電井控制單元RS485通信模塊相連接來完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸[7],。
高精度時鐘模塊選用Dallas公司生產(chǎn)的內(nèi)部自帶晶振電路的DS3231芯片來實現(xiàn)。由于DS3231芯片內(nèi)集成有溫補晶振(TCXO)和晶體,,因此其具有低成本和高精度的實時時鐘等眾多優(yōu)點[8],。
觸摸顯示模塊選用陶晶馳公司生產(chǎn)的3.2寸組態(tài)觸摸顯示屏。該屏幕使用的是USART接口,,方便與微控制器相連,,具有良好的HMI[9],可以用于設(shè)置或顯示當前教學(xué)樓主控中心的時間,、樓棟的通電與斷電狀態(tài),,或者臨時手動控制樓棟的通電與斷電。
2.4 電能節(jié)能控制中心單元的硬件設(shè)計
電能節(jié)能控制中心單元用于控制學(xué)校每棟教學(xué)樓的集中通電與斷電時間,。它由通信模塊,、高精度時鐘模塊、GSM模塊,、PC通信模塊,、鍵盤與顯示模塊和微控制器組成,其硬件設(shè)計框圖如圖5所示,。
電能節(jié)能控制中心單元上設(shè)置有高精度的日歷時鐘,,并可以存放管理多棟樓教室通電與斷電的時間數(shù)據(jù)。用戶既可以根據(jù)需要通過手機或PC在任意時刻實現(xiàn)對某棟或某幾棟教學(xué)樓的通電與斷電,,又可以通過PC或手機進行設(shè)置或修改某棟教學(xué)樓的通電與斷電控制時間,。一經(jīng)設(shè)置完成,電能節(jié)能控制中心就可以脫離PC或手機單獨工作,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由教室節(jié)點單元軟件,、教學(xué)樓電井控制單元軟件,、教學(xué)樓主控中心單元軟件、電能節(jié)能控制中心單元軟件組成,。
3.1 教室節(jié)點單元軟件設(shè)計
教室節(jié)點單元的軟件設(shè)計由用C語言編寫的各個模塊程序組成,,主要包括無線通信模塊和檢測開關(guān)電路的ZigBee組網(wǎng)程序、光照度傳感器驅(qū)動程序,、ID讀卡驅(qū)動程序,、觸摸開關(guān)檢測程序和STM32控制繼電器的程序等,其主程序流程圖如圖6所示,。
3.2 教學(xué)樓電井控制單元軟件設(shè)計
教學(xué)樓電井控制單元主程序流程圖如圖7所示,。教學(xué)樓電井控制單元的硬件電路一直處于通電工作狀態(tài)(除非停電或人為斷電),主要用來接收教學(xué)樓主控中心單元的指令,,并根據(jù)指令控制指定區(qū)域的交流接觸器,,進而控制是否給該區(qū)域教室供電。
3.3 教學(xué)樓主控中心單元軟件設(shè)計
教學(xué)樓主控中心單元的軟件設(shè)計主要包括鍵盤與顯示模塊的驅(qū)動程序,、高精度時鐘模塊的驅(qū)動程序,、無線通信模塊的ZigBee組網(wǎng)程序和有線通信模塊的RS485驅(qū)動程序,其主程序流程圖如圖8所示,。
3.4 電能節(jié)能控制中心單元軟件設(shè)計
電能節(jié)能控制中心單元的軟件設(shè)計主要包括USART的驅(qū)動程序,、高精度時鐘模塊的驅(qū)動程序、無線通信模塊的ZigBee組網(wǎng)程序和GSM模塊的驅(qū)動程序,,其主程序流程圖如圖9所示,。電能節(jié)能控制中心單元既可以通過USB線與PC連接,又可以通過GSM模塊和安裝有自編APP程序的手機聯(lián)機,。通過PC或手機設(shè)置每棟教學(xué)樓的每個區(qū)域電井的通電和斷電控制要求,,并通過教學(xué)樓主控中心單元將各教學(xué)樓的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至PC或手機端顯示,既可以方便管理員實時掌握教學(xué)樓供電狀態(tài),,又可以供學(xué)生查詢自習(xí)教室的開放情況,。
4 系統(tǒng)功能測試
教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計完畢后,將其安裝在廣西某高校的教學(xué)樓中,,學(xué)校管理者根據(jù)學(xué)校的通,、斷電安排等要求,通過手機或PC設(shè)置各棟教學(xué)樓分區(qū)的通電和斷電時間,、自習(xí)教室的開放等各項參數(shù),,然后啟動該系統(tǒng),并讓其試運行,。使用調(diào)光燈模擬自然光照射教室節(jié)點單元中的光傳感器,,對照明供電進行了測試,測試結(jié)果如表1所示,。
該控制方法符合中華人民共和國國家標準《建筑照明設(shè)計標準》GB50034-2013關(guān)于新建,、改建和擴建的居住,、公共和工業(yè)建筑的一般照度標準值的規(guī)定[10]。對安裝在廣西某高校的教學(xué)樓中的教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)的單個控制單元進行了功耗測試,,測試結(jié)果如表2所示。
安裝該節(jié)能控制系統(tǒng)的廣西某高校設(shè)置有1個電能節(jié)能控制中心單元,、5個教學(xué)樓主控中心單元,,每棟教學(xué)樓有12個教學(xué)樓電井控制單元,每個電井控制20個教室節(jié)點單元,。根據(jù)表2的測試結(jié)果和學(xué)校教學(xué)樓使用該節(jié)能控制系統(tǒng)的照明總電表用電量進行對比可知:未使用教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)之前,,每天晚上22:00后需教學(xué)樓管理人員手動關(guān)閉每間教室的照明燈,該學(xué)校教學(xué)樓用電記錄中純照明用電平均每月為564 480 kWh,;使用教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng)之后,,學(xué)校教學(xué)樓照明用電為平均每月395 136 kWh,平均每月節(jié)省169 344 kWh,,實現(xiàn)了良好節(jié)能的效果,。
5 結(jié)束語
本文選用STM32芯片和STM8芯片作為微控制器,將傳感器檢測技術(shù),、ZigBee技術(shù),、單火線技術(shù)和通信技術(shù)等有機地結(jié)合在一起,設(shè)計了一種遠程的教學(xué)樓電能節(jié)能控制系統(tǒng),,并詳細闡述了系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設(shè)計,,最后將其應(yīng)用于廣西某高校的教學(xué)樓中進行試驗。運行結(jié)果表明,,系統(tǒng)不但可以通過手機或PC遠程實現(xiàn)對教學(xué)樓中各教室,、辦公室的用電設(shè)備按照學(xué)校的通、斷電安排進行自動控制與管理,,而且具有結(jié)構(gòu)簡單,、易安裝、性能可靠等眾多優(yōu)點,,符合當今社會所提倡的“節(jié)約能源,,低碳環(huán)保,可持續(xù)發(fā)展”的主題,,達到了節(jié)約能源,、節(jié)約管理者的人力和物力的目的,具有良好的市場前景,。
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作者信息:
于新業(yè),,易 藝,,郝建衛(wèi)
(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院,廣西 桂林541004)