基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)

楊惜愛(ài)

摘要：室內(nèi)自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)是以教室為平臺(tái)，利用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將教室有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效、節(jié)能的管理系統(tǒng)，提升室內(nèi)的安全性、便利性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境。首先，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)教室的溫度、濕度、人流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整理，利用云服務(wù)使得系統(tǒng)支持PC端和移動(dòng)端同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最后對(duì)積累下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)控制教室的設(shè)施。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)能提高室內(nèi)管理質(zhì)量，減少能源的消耗，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)校園節(jié)能有重要的意義。

關(guān)鍵詞：節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)；智能教室；室內(nèi)自適應(yīng)；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）09-0276-03

1基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)的意義

1.1 研究意義

隨著科技的高速發(fā)展，能源短缺及供需矛盾所造成的能源危機(jī)成為世界性的能源問(wèn)題。而能源浪費(fèi)成為經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和環(huán)境破壞的主要因素。根據(jù)國(guó)內(nèi)教育設(shè)施水平的調(diào)查顯示，學(xué)校教室的燈光、風(fēng)扇、空調(diào)數(shù)量比較多，設(shè)備工作時(shí)間也較長(zhǎng)，用電浪費(fèi)現(xiàn)象也就明顯增加了教育的成本。如果國(guó)家和學(xué)校投入大量人力管理供電方面，要付出巨大的成本。

為了加強(qiáng)校園節(jié)能管理，特別是空調(diào)、照明節(jié)電，降低學(xué)校經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，本項(xiàng)目結(jié)合智能和節(jié)能進(jìn)行創(chuàng)新，搭建一款具有自動(dòng)控制燈光、風(fēng)扇、空調(diào)功能的室內(nèi)自適應(yīng)節(jié)能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、人流量等數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器等傳入單片機(jī)，進(jìn)行算法處理，人性化地規(guī)定電燈、風(fēng)扇、空調(diào)的啟動(dòng)和關(guān)閉，以及溫度、人流量等情況控制空調(diào)度數(shù)的高低，并且在某一時(shí)間段內(nèi)將電器全部關(guān)閉，從減排的角度實(shí)現(xiàn)節(jié)能，使校園達(dá)到人性化管理的目標(biāo)。

1.2 利用物聯(lián)網(wǎng)控制自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

該系統(tǒng)結(jié)合軟硬件開(kāi)發(fā)+互聯(lián)網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)電腦端+手機(jī)端等多方設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，保證服務(wù)的多樣性；該系統(tǒng)面向的范圍廣，模式基本是基于全部的教室以及辦公室等來(lái)做的，只有合適的場(chǎng)景都可以使用該軟硬件系統(tǒng)；同時(shí)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性好，可以在系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上其他傳感器，使得符合具體場(chǎng)景的需要；成熟的數(shù)據(jù)同步解決方案和內(nèi)存優(yōu)化管理方案，解決了同步數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入和多顯示終端展示的問(wèn)題；初步提出了人流量狀態(tài)分析以及及時(shí)控制設(shè)備節(jié)能系統(tǒng)，為防止大量的設(shè)備在無(wú)人或者少人狀態(tài)下全部開(kāi)啟而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)提供了良好的預(yù)防作用。

2 室內(nèi)自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)的搭建

2.1 核心技術(shù)

2.1.1 系統(tǒng)核心框架

2.1.2 TCP/IP協(xié)議棧

本系統(tǒng)利用的通訊核心——TCP/IP 協(xié)議棧，是一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的總和，是組成網(wǎng)絡(luò)通信的核心骨架，它定義了傳統(tǒng)的電子設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)的方法以及數(shù)據(jù)在它們之間進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ā?TCP/IP協(xié)議采用四層結(jié)構(gòu)，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。每一層都是通過(guò)呼叫其本身的下一層所提供的協(xié)議來(lái)完成自己的需求。

2.1.3 STM32F407VET6核心控制板

本系統(tǒng)使用STM32F407VET6 開(kāi)發(fā)板作為核心控制板。開(kāi)發(fā)版基于工作頻率高達(dá)168 MHz的高性能ARM?Cortex?-M4 32位RISC內(nèi)核，運(yùn)算速度快且功耗低。STM32F407VET6集成了高速嵌入式存儲(chǔ)器，閃存高達(dá)1MB，并且提供12位ADC、DAC、低功耗RTC、通用16位定時(shí)器、用于電機(jī)控制的PWM定時(shí)器、通用32位定時(shí)器等。STM32F407VET6在短時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間與各個(gè)傳感器進(jìn)行交互。

2.2 服務(wù)器平臺(tái)的搭建方案

本系統(tǒng)運(yùn)用世界排行第一的Apache服務(wù)器。Apache服務(wù)器具有跨平臺(tái)的功能和較高的安全性、穩(wěn)定性。Apache服務(wù)器和PHP服務(wù)端腳本，以及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合具有跨平臺(tái)和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，Apache+PHP+MySQL搭配是本系統(tǒng)的最佳選擇。

2.3 數(shù)據(jù)的采集

本系統(tǒng)采用2種傳感器與STM32F407VET6核心控制板進(jìn)行通訊。傳感器收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后，通過(guò)USR-C215 WiFi通訊模塊上傳到Apache服務(wù)器。這兩種傳感器分別為：

（1）DHT22溫濕度傳感器：測(cè)量系統(tǒng)周?chē)諝庵械臏貪穸葦?shù)據(jù)；

（2）光敏傳感器：采集系統(tǒng)周?chē)墓鈴?qiáng)度數(shù)據(jù)。

2.4系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互

2.5 該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)出最合適該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，團(tuán)隊(duì)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和邏輯設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如下：

2.5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)1：user_db

2.5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)2：classroom_db

2.6 程序?qū)崿F(xiàn)

STM32芯片為本系統(tǒng)的核心控制器。為了提高數(shù)據(jù)的采集和傳輸精準(zhǔn)度，程序的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循各個(gè)傳感器的通訊協(xié)議，從而保證STM32核心控制板與各個(gè)傳感器結(jié)合的性能。以溫濕度傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明：

本系統(tǒng)采用的DHT22溫濕度傳感器是運(yùn)用了單總線(xiàn)通信協(xié)議。單總線(xiàn)表示數(shù)據(jù)交互、控制都只通過(guò)一根數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)完成，用戶(hù)主機(jī)（MCU）通過(guò)三態(tài)端口或者漏極開(kāi)路連接到該數(shù)據(jù)線(xiàn)。在一般情況下，單總線(xiàn)通過(guò)一個(gè)上拉電阻使總線(xiàn)空閑時(shí)保持高電平。雙方利用單總線(xiàn)通訊傳輸協(xié)議，既能釋放總線(xiàn)，使總線(xiàn)供其他設(shè)備使用，又能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性。

管理員可以通過(guò)登錄PC端、手機(jī)端對(duì)教室的自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行一系列信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同需求。

（1）PC端：PC端應(yīng)用是運(yùn)用了C# 搭建的操作平臺(tái)，其功能的展示如圖3-1和圖3-2所示。

（2）手機(jī)app：運(yùn)用Android開(kāi)發(fā)手機(jī)端應(yīng)用，其功能的展示如圖4-1和圖4-2所示。

（3）后臺(tái)管理：運(yùn)用PHP搭建后臺(tái)管理系統(tǒng)，其功能的展示如圖5-1和圖5-2所示。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為傳統(tǒng)的教室、辦公室和實(shí)驗(yàn)室等提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)分析技術(shù)從而控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)以及設(shè)備的調(diào)節(jié)，在很大程度上起到節(jié)約能源的作用。本團(tuán)隊(duì)運(yùn)用傳感器技術(shù)、PHP腳本技術(shù)、My SQL 、Android 、Java、C# 等技術(shù)的結(jié)合，從需求分析到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷嘗試、調(diào)試和優(yōu)化，最終完成該項(xiàng)目。在今后的研究中，繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)以及增加更多技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多方便管理和節(jié)能的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 明日科技.PHP從入門(mén)到精通[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2] Andrew Troelse. C#與.NET 4高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M]. 朱曄，譯.北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 高和蓓.響應(yīng)式動(dòng)態(tài)網(wǎng)站項(xiàng)目開(kāi)發(fā)（jQuery+PHP+MySQL+Apache）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[4] 趙亮，侯國(guó)銳.單片機(jī)C語(yǔ)言編程與實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[5] John Lewis，William Loftus. Java程序設(shè)計(jì)教程[M]. 張君施，劉麗麗，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2015.