“基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能寢室”設(shè)計(jì)

唐家興++范彬

摘要：為了對(duì)大學(xué)生寢室進(jìn)行更好人性化、智能化的改造隨以及隨著太陽(yáng)能各類產(chǎn)品的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，光能、校園、寢室結(jié)合的一體化技術(shù)將日益成熟。提出了“基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能寢室”。在智能化且信息化的當(dāng)今社會(huì)，設(shè)計(jì)基于太陽(yáng)能發(fā)電的智能寢室系統(tǒng)不但能夠給大學(xué)生帶來(lái)無(wú)限的幫助和歡樂(lè)，而且可以令他們的生活更為豐富和安全。通過(guò)結(jié)合實(shí)例，并對(duì)所做模型和計(jì)算方法進(jìn)行了仿真分析，證明了模型的可行性和算法的有效性。

關(guān)鍵詞：智能寢室；宿舍用電；光伏發(fā)電；太陽(yáng)能

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0169-02

隨著太陽(yáng)能各類產(chǎn)品的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，光能、校園、寢室結(jié)合的一體化技術(shù)將日益成熟。在智能化且信息化的當(dāng)今社會(huì)，設(shè)計(jì)基于太陽(yáng)能發(fā)電的智能寢室系統(tǒng)不但能夠給大學(xué)生帶來(lái)無(wú)限的幫助和歡樂(lè)，而且可以令他們的生活更為豐富和安全?？茖W(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，智能化系統(tǒng)現(xiàn)已普及到世界的每個(gè)角落，大學(xué)寢室的智能應(yīng)用也早已問(wèn)世。對(duì)大學(xué)生寢室進(jìn)行智能化、人性化的改造是當(dāng)前面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。目前大學(xué)生寢室使用的電能，多為火力發(fā)電，需要燃燒煤炭等一次能源。太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的新能源，發(fā)展前景十分寬廣，光伏發(fā)電已經(jīng)成為全球發(fā)展最快的發(fā)電技術(shù)之一。如何基于光伏發(fā)電來(lái)構(gòu)建智能寢室的供電系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本項(xiàng)目將智能寢室的設(shè)計(jì)概念與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，著重開(kāi)展基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能寢室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以及智能系統(tǒng)電路的改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)將光能轉(zhuǎn)化為電能并通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，創(chuàng)建的“綠色”的智能寢室！智能寢室的設(shè)計(jì)概念與光伏智能寢室設(shè)計(jì)的概念大相徑庭，本次所做的智能寢室系統(tǒng)是針對(duì)智能寢室的一些功能進(jìn)行裁剪和壓縮，以便適應(yīng)寢室自動(dòng)化控制的需求。這就像嵌入式系統(tǒng)與個(gè)人電腦的操作系統(tǒng)的區(qū)別。

1 倡導(dǎo)清潔能源，優(yōu)化智能寢室

智能寢室（Smart Class room）以大學(xué)生寢室為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖW(xué)、智能化、自動(dòng)化等技術(shù)于一體的安全、高效、便利、舒適的寢室生活環(huán)境。智能化寢室的技術(shù)通過(guò)自定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，讓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)資源共享。我們努力做到其布線簡(jiǎn)單、功能貼心，擴(kuò)展便捷并讓被同學(xué)們廣泛接受和應(yīng)用。智能寢室不再是一幢被動(dòng)的學(xué)生宿舍建筑，相反，成了幫助同學(xué)們盡量節(jié)省時(shí)間，利用時(shí)間的工具，同時(shí)使之更為舒適、安全、高效和節(jié)能。它可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等信息通信技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)寢室用電器等的智能控制，使其能夠不論距離的遠(yuǎn)近，按照人們的設(shè)定工作運(yùn)行。以往的智能寢室系統(tǒng)現(xiàn)在主要圍繞著“宿舍”來(lái)進(jìn)行，然而對(duì)于廣大學(xué)生來(lái)說(shuō)，宿舍就是學(xué)生的“家”。同時(shí)保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源與我們身邊每一個(gè)人都息息相關(guān)，我所設(shè)計(jì)的智能宿舍系統(tǒng)就是智能化控制學(xué)生宿舍的一套解決方案，為優(yōu)化宿舍環(huán)境，環(huán)保節(jié)能而設(shè)計(jì)。光伏發(fā)電的投入因?yàn)樗薮蟮陌l(fā)展前景，將會(huì)成為智能寢室發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)比較貼合實(shí)際的突破口，并對(duì)智能寢室發(fā)展具有重大意義。智能化控制與節(jié)能模塊是智能寢室的兩大特點(diǎn)。其中智能化控制包括電器設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集、集中、遠(yuǎn)距離異地（ 通過(guò)電話或Internet）的監(jiān)視、遙控等。我們希望將智能化控制方案應(yīng)用到學(xué)生寢室中，提高學(xué)生的生活質(zhì)量。進(jìn)入宿舍寢室時(shí)進(jìn)門(mén)刷卡，屋子內(nèi)的燈光自動(dòng)開(kāi)啟；想學(xué)習(xí)了，自動(dòng)調(diào)節(jié)出最健康的燈光色溫；通過(guò)戶外與室內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)的比較，來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度自動(dòng)化控制。比如當(dāng)戶外傳感器檢測(cè)到陰天下雨時(shí)，數(shù)據(jù)將通過(guò)天線傳給室內(nèi)傳感器，設(shè)備就會(huì)提高電燈的亮度。如果夏天室內(nèi)空氣悶熱干燥，可啟動(dòng)加濕器，還可將窗戶自動(dòng)打開(kāi)，離開(kāi)宿舍，可自動(dòng)開(kāi)啟安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防火、防盜等功能；在戶外的時(shí)候，只需要你輕點(diǎn)手機(jī)，就可以對(duì)寢室實(shí)進(jìn)實(shí)時(shí)查看與控制，還可接收寢室通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)推送的信息。

2 功能特點(diǎn)

（ 1） 通過(guò)光伏發(fā)電為寢室進(jìn)行電能供應(yīng)。

（ 2） 可實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)等電力參數(shù)。

（ 3） 支持對(duì) 3 個(gè)輸出回路（ 如照明、插座、空調(diào)） 作獨(dú)立控制。

（ 4） 支持預(yù)付費(fèi)控制、負(fù)載識(shí)別控制、時(shí)間控制、強(qiáng)制控制等 4 種邏輯控制功能。

（ 5） 可查詢各種日志記錄。

（ 6） 累加計(jì)量總用電量，遞減計(jì)量剩余電量。

3 硬件設(shè)施布控

此智能寢室系統(tǒng)采用了“多源”控制，有“Web網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程控制”、“按鍵控制”、“系統(tǒng)自動(dòng)控制”，多種控制相結(jié)合，以便適應(yīng)同學(xué)們便捷，高質(zhì)量的生活需求?！癢eb網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程控制”，是指在離開(kāi)服務(wù)器以后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登陸運(yùn)行在特定服務(wù)器上的網(wǎng)站，然后再去查看，管理當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行；“按鍵控制”，只需要點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)上相對(duì)應(yīng)的按鈕，便能夠輕輕松松的控制家中的設(shè)備機(jī)組，打開(kāi)或關(guān)閉，以致達(dá)到遠(yuǎn)程操控的功能?！跋到y(tǒng)自動(dòng)控制”是指系統(tǒng)的核心部分能夠根據(jù)外界傳感器所收集的環(huán)境信息（如濕度，溫度等）與個(gè)人用戶設(shè)定的能夠使人可以較為舒適的環(huán)境作比較，再根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以保證舒適值，來(lái)為用戶提供一個(gè)良好的恒溫環(huán)境。

3.1 繼電裝置模塊

繼電器是用較小的電流，控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。它是一種電子控制器件，既具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）又有被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。

3.2 溫度傳感器裝置模塊

本溫度采集裝置采用了DS18B20溫度傳感器，它的特點(diǎn)如下： 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線便可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3.3 濕度控制裝置模塊

例如由MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行分析由溫度傳感器采集當(dāng)前的溫度信息，再送到采集模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，決定加濕器的水閥開(kāi)度，使室內(nèi)濕度保持在一個(gè)宜人且恒定的范圍。

3.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

應(yīng)用光伏新能源技術(shù)為智能寢室提供可用的電能，戶外傳感器安裝太陽(yáng)能（單晶硅or多晶硅）板供電，即用太陽(yáng)能板發(fā)電連接蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能，環(huán)保，且節(jié)省電能。優(yōu)先選用能源電池為寢室提供電能。合理限制用電使用量。同時(shí)設(shè)計(jì)了室內(nèi)、戶外兩個(gè)傳感器。檢測(cè)室內(nèi)外空氣質(zhì)量。

4 軟件設(shè)計(jì)

不斷完善智能寢室的功能。開(kāi)放APP，植入手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)智能人性化，比如“一鍵關(guān)閉”功能。當(dāng)你啟用這個(gè)，智能寢室將觸發(fā)30秒的延時(shí)，同時(shí)幫你關(guān)閉正在運(yùn)行的電器并打開(kāi)寢室門(mén)，這將為你離開(kāi)寢室提供充足的時(shí)間，延時(shí)結(jié)束后，防盜系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟等。主程序流程主程序作根據(jù)時(shí)間片及事件的觸發(fā)條件來(lái)管理各個(gè)不同的功能模塊。

4.1負(fù)載限制與識(shí)別法

當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)電器（過(guò)負(fù)載用電設(shè)備）時(shí)，易發(fā)生電器火災(zāi)等安全事故，對(duì)學(xué)生的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成影響； 當(dāng)學(xué)生使用過(guò)多的常規(guī)電器，但累加用電負(fù)荷過(guò)高，同樣會(huì)造成安全事故。因此，該管理終端從最大功率限制和惡性負(fù)載識(shí)別兩方面需求出發(fā)來(lái)確定負(fù)載控制結(jié)果，以保證寢室的用電安全，防止惡性事件發(fā)生。最大功率限制的方法不難，假如所有負(fù)載的功率且超過(guò)總功率最大值，就可以判斷為功率超額，然后切斷宿舍供電回路。對(duì)于惡性負(fù)載的判斷，假如也采取判斷總功率的方法，便不能對(duì)其準(zhǔn)確識(shí)別。測(cè)試純阻性（小功率）惡性負(fù)載的工作特性時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的功率因數(shù)偏高。在宿舍總用電回路總功率超額時(shí)，功率因數(shù)增量超過(guò)最大設(shè)定值，則情況為惡性負(fù)載接入。如果直接測(cè)試宿舍總供電回路，功率因數(shù)不會(huì)太高，所以設(shè)計(jì)終端采用“增量判斷法”，即用電回路功率因數(shù)增量來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，作為依據(jù)以判斷是否為惡性負(fù)載。

4.2邏輯控制模塊

4.2.1負(fù)載控制

可以識(shí)別惡性負(fù)載，并快速地作出響應(yīng)，終端為宿舍用電總回路提供負(fù)載控制。

4.2.2強(qiáng)制控制

有時(shí)，高校在有大型活動(dòng)需要用電安排時(shí)，需要統(tǒng)一對(duì)各宿舍回路做的斷送電處理，這一情況便通過(guò)強(qiáng)制控制功能實(shí)現(xiàn)；高校宿舍暑假假期時(shí)，有部分宿舍會(huì)安排給留校學(xué)生和相關(guān)管理人員，這些宿舍通常是沒(méi)有負(fù)載、時(shí)間限制且不切斷供電，根據(jù)此種情況，將開(kāi)啟強(qiáng)制控制功能，使其他的控制功能暫時(shí)關(guān)閉；另外由于高校學(xué)生較多，為統(tǒng)一安排作息，需統(tǒng)一按時(shí)通/斷電。通常6： 00 ～ 7： 30 為學(xué)生早晨起床洗漱時(shí)間，應(yīng)保持照明系統(tǒng)開(kāi)放并將插座回路處于通電狀態(tài)； 周末 8： 00 ～ 23： 00，學(xué)生休息不上課，大多數(shù)時(shí)間都會(huì)留在宿舍，此時(shí)應(yīng)保證所有相關(guān)回路處于供電狀態(tài)。方便學(xué)校管理部門(mén)根據(jù)實(shí)際情況在不同的時(shí)刻控制不同的回路通/斷電，系統(tǒng)終端為插座、照明、空調(diào)回路均提供兩套獨(dú)立的控制時(shí)表，以滿足定時(shí)控制管理的相關(guān)要求。

4.2.3模式控制

將所有電器集中在一起控制，為避免使系統(tǒng)的操作變得復(fù)雜，其中的模式無(wú)需過(guò)多，在具體的設(shè)計(jì)中只需將幾種常用的情況（場(chǎng)景）設(shè)為固定的模式控制便可以，此設(shè)計(jì)中有自動(dòng)（手動(dòng)）模式，季節(jié)模式，其中的自動(dòng)（手動(dòng)）模式是由MCGS組態(tài)軟件根據(jù)預(yù)設(shè)傳感器自動(dòng)控制空調(diào)機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)的；季節(jié)模式是根據(jù)不同的氣象環(huán)境通過(guò)室內(nèi)外溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)設(shè)置室內(nèi)的溫、濕度；冷、熱水機(jī)組是通冰水還是通熱水，皆可設(shè)定。在硬件上，網(wǎng)關(guān)、室內(nèi)傳感器包、室外傳感器包、床 （下轉(zhuǎn)第176頁(yè)）

（上接第170頁(yè)）

位節(jié)點(diǎn)、調(diào)光燈、無(wú)線插排成為組成部分。利用單片機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)、窗、燈、箱柜等家具的智能控制。開(kāi)發(fā)板與各部分的對(duì)接，組建網(wǎng)絡(luò)，外觀設(shè)計(jì)、建模及打樣。

4.2.4預(yù)付費(fèi)控制

終端配合遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)售電管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)先交費(fèi)后用電的功能。學(xué)生可根據(jù)宿舍用電情況自行充值，以保證宿舍正常用電。當(dāng)學(xué)生用完充值的電能后，終端會(huì)自行切除供電。學(xué)生若及時(shí)充值，可及時(shí)恢復(fù)供電。

5 結(jié)束語(yǔ)

該學(xué)生宿舍應(yīng)用光伏發(fā)電提供電能為基礎(chǔ)，能夠有效節(jié)約電能，用電管理終端具備控制、監(jiān)測(cè)、計(jì)量等等功能，可以降低學(xué)校等管理方電費(fèi)收取難度的問(wèn)題，提高校方工作效率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，還可以為用戶的合理管理提供重要數(shù)據(jù)，方便校方管理，讓學(xué)生寢室環(huán)境變得智能、舒適、安逸。

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