基于無線網(wǎng)絡教室節(jié)能管理平臺

陽韜 陽平華

摘要：我國高校數(shù)量眾多，高校每年耗電量非常大，其中高校耗能中教學樓用電占了很大比例，在教學樓中存在很多浪費電能的現(xiàn)象。通過研究高校用電的特點，結合用電的實際情況，利用數(shù)據(jù)庫技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、無線通信技術等，設計一套智慧節(jié)能教室管理平臺，該平臺以教務系統(tǒng)排課數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用智能化的控制方法，對各教室的用電設備集中控制管理，達到智能化人性化的管理，以更高效的利用電能。

關鍵詞：智慧節(jié)能;教室管理;無線網(wǎng)絡;物聯(lián)網(wǎng);高校信息化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0051-03

節(jié)約能源問題是社會越來越重視的問題，在用電高峰期會出現(xiàn)一些地方供不應求而斷電的現(xiàn)象。大城市的一些社會服務部門，機關部門，工廠等的斷電會造成巨大的損失，節(jié)約用電能夠在一定程度上減輕社會的用電負荷，降低斷電等情況的發(fā)生。

據(jù)教育部的數(shù)據(jù)顯示，全國高校共計2956所，高校的用電設備多，每年耗電數(shù)量巨大。大部分的高校都存在電能浪費的現(xiàn)象，主要集中在教學樓、圖書館等場合，因為高校的管理相對比較寬松，教室無人燈常亮，空調(diào)工作的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，浪費了大量的電力資源。

近年來備受關注的高校用電監(jiān)管尤為重要。這項研究主要是以華南理工大學廣州學院節(jié)能監(jiān)管平臺建設為基礎，基于學校用電現(xiàn)狀設計節(jié)能實時監(jiān)測和控制的平臺，實現(xiàn)節(jié)能監(jiān)管平臺信息專用傳輸，通過節(jié)能監(jiān)管平臺得到的數(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支持和豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。

智慧節(jié)能教室管理平臺主要是體現(xiàn)智能自動控制，學校加入該系統(tǒng)的設備都能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一管理，根據(jù)學校的課表排課數(shù)據(jù)，臨時調(diào)課數(shù)據(jù)，以及教學樓管理員的超級賬戶權限，可以實時的管理，以達到節(jié)約電能，保證電能高效利用。

目前由很多教室用電設備的管理系統(tǒng)，對設備要求較高，教室的用電設備控制需要通過布線的方式來實現(xiàn)。教室的大部分用電設備只能實現(xiàn)開關狀態(tài)的控制，不能對用電器的狀態(tài)實時的遠程查看。很多高校要實現(xiàn)用電設備集中式的管理，都采取有線的控制方式，對控制設備需要布線，很難集中式的管理，尤其是對于一些比較老的教學樓，需要重現(xiàn)布線，線路改造非常復雜，工作量很大。另外有線的控制方式會增加系統(tǒng)的成本，浪費資源。有線的方式會存在線路問題，在大量的設備和線路中如果部分設備出現(xiàn)問題，很難查找問題。

因此研究一套通用的基于無線網(wǎng)絡的智慧節(jié)能管理平臺具有非常重要的意義，可以應用于絕大部分教學樓，對教室原有線路做細小的改動，省去布線的麻煩，就能遠程集中監(jiān)控和管理用電設備。

1系統(tǒng)整體框架

基于無線網(wǎng)絡的教室節(jié)能管理平臺，利用無線網(wǎng)絡傳輸控制信號，對教室中的用電設備控制管理，該管理平臺從后勤管理中心到教室里的用電設備，實現(xiàn)一種基于無線網(wǎng)絡和學校有線局域網(wǎng)相結合的大型教室節(jié)能管理系統(tǒng)。

管理平臺包括后勤管理中心，教學樓控制臺，樓層控制節(jié)點，教室中繼結點，教室內(nèi)用電器節(jié)點等，管理采用分布式控制模式。教務系統(tǒng)、后勤管理中心、教學樓控制臺以及各層樓的控制節(jié)點之間采用的學校的有線局域網(wǎng)傳輸信號，各層樓的控制節(jié)點與教室內(nèi)部控制節(jié)點之間通過無線zigbee網(wǎng)絡傳輸信號，整體控制框架如下圖1所示：

2系統(tǒng)結構設計

節(jié)能管理平臺基于節(jié)能的需要，在設計上要體現(xiàn)節(jié)能控制的功能，系統(tǒng)在整體硬件設施的基礎上，軟件完成控制功能，根據(jù)預先設的控制方法對教室中的用電設備完成自動控制，系統(tǒng)選用的低功耗的zigbee網(wǎng)絡傳輸控制信號，實現(xiàn)對教室用電設備的控制。在實際運行的過程會有多種情況，比如某些教室需要臨時開會或者臨時調(diào)課的情況，因此每個教室的設備應該有多種控制模式，本系統(tǒng)設置三種控制模式：

（1）自動控制模式：系統(tǒng)運行后的默認模式，后勤管理中心根據(jù)教務系統(tǒng)的排課數(shù)據(jù)，對各個教室中的用電設備統(tǒng)一管理。當該教室有課將提前開啟教室的燈和多媒體講臺，在夏季根據(jù)設置溫度等情況開啟教室的空調(diào)，在下課如果教室下一節(jié)沒有課，會在下一節(jié)課時間關閉教室中的用電設備。后勤管理中心可以實時的調(diào)整每個教室的用電設備的狀態(tài)。

（2）獨立控制模式：在自動控制模式下，每個教師通過后勤系統(tǒng)錄入數(shù)據(jù)后，可以驗證指紋后將所在教室設置為獨立控制模式，教師有權限對教室中的用電設備控制，通過每個教室內(nèi)的人機觸摸屏和開關控制。

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

2.1后勤管理中心

后勤管理中心的機房服務器運行了整個學校用電系統(tǒng)的管理軟件，可以遠程實時地對每個用電單位（主要是教室）的每臺用電設備（電燈、空調(diào)、多媒體設備）進行控制，可以實時獲取每個設備的工作狀態(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，大型電子顯示屏組成，運行了數(shù)據(jù)庫和管理軟件。

后勤管理中心和教務系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，能夠?qū)崟r的獲取所有教室排課情況，能夠根據(jù)各個教室的上課安排，發(fā)出控制指令，對各個教室的設備進行控制。

后勤管理中心軟件功能結構如圖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、通信模塊、設備控制以及人機交互等模塊。

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

教室管理：管理學校的各個小區(qū)，每個教學樓以及教室。

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

數(shù)據(jù)統(tǒng)計：統(tǒng)計每個教室，每棟教學樓的耗電情況，會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：完成與教務系統(tǒng)通信，與各教學樓控制臺的通信。

設備控制：控制每個教室節(jié)點的狀態(tài)，有智能控制模式和課表優(yōu)先控制模式。

人機交互：在后勤管理中心用大屏幕顯示，整個系統(tǒng)的狀態(tài)，包括各個教學樓的運行狀態(tài)，各個教學樓的每個教室的狀態(tài)，還有子菜單顯示教室中每個設備的狀態(tài)，可以通過在操作臺進入各個子菜單查看數(shù)據(jù)和顯示狀態(tài)。

2.2教學樓控制部分

教學樓控制臺主要是臺式電腦組成，與后勤管理中心通過有線網(wǎng)絡連接，教室內(nèi)節(jié)點通過傳感器將檢測到室內(nèi)數(shù)據(jù)（溫濕度，光照強度等）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)送到各個教學樓控制臺存儲在本地，最后發(fā)送到各層樓的節(jié)點。

各層樓節(jié)點主要以stm32F407為核心，設置了以太網(wǎng)接口和zigbee無線網(wǎng)絡接口，電路結構如圖3所示，zigbee網(wǎng)絡接口以cc2530為核心，以太網(wǎng)接口主要是通過網(wǎng)絡接口芯片LAN8720來實現(xiàn)。樓層節(jié)點接收到控制數(shù)據(jù)包后，解析成各教室的控制數(shù)據(jù)，通過zigbee無線網(wǎng)絡發(fā)送每個教室。Zigbee網(wǎng)絡主要是以協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點的結構，樓層節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，以cc2530為核心產(chǎn)生無線zigbee網(wǎng)絡，有一個PA-NID，每層樓教室的控制節(jié)點可以通過這個PANID連接到這個網(wǎng)絡，接收信號。

3教室控制部分

3.1教室中繼節(jié)點

教室控制節(jié)點電路結構如圖4所示，節(jié)點電路由cc2530為核心，通過UART口連接人機組態(tài)觸摸屏，cc2530編程實現(xiàn)modbus協(xié)議與人機觸摸屏通信，可以輸入設置信號和控制，同時可以顯示每個教室環(huán)境數(shù)據(jù)如溫濕度和光照強度等，教室控制節(jié)點在ZigBee網(wǎng)絡中充當路由節(jié)點的作用，能夠起到信號的橋接作用。

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

3.2設備控制終端節(jié)點

系統(tǒng)最終的控制對象主要是教室的設備，包括教室門鎖開關，多媒體講臺，教室空調(diào)和電燈等，所有的這些用電設備都作為控制終端節(jié)點，每個教室中都會安裝溫濕度傳感器和光敏傳感器檢測教室內(nèi)的信號作為檢測終端節(jié)點，傳感到二級控制節(jié)點，最后可以傳回后勤管理中心。

所有的終端節(jié)點都是以cc2530為核心，通過10端口PO和P1進行輸出控制，以74LVC245作為驅(qū)動，通過光耦隔離芯片6N137，控制繼電器，最后實現(xiàn)對燈和風扇、空調(diào)、門鎖、多媒體講臺控制，教室中繼節(jié)點通過無線zigbee網(wǎng)絡向各個節(jié)點傳輸控制數(shù)據(jù)。

3.2.1門禁控制節(jié)點

教室的門鎖開關作為zigbee網(wǎng)絡中的一個終端節(jié)點，結構如圖4所示，以cc2530為核心，通過繼電器控制門鎖的開關，在教室有課會提前自動打開教室門鎖，當教室沒有課情況下，只要門被拉合會自動鎖上，但是可以在內(nèi)部通過開關打開教室門鎖，這樣防止學生被鎖在教室內(nèi)。

在教室沒有課的情況下，只有管理人員有權限，從外部打開教室門鎖，這樣既可以保證教室內(nèi)部到人不會鎖住，同時也能夠在教室內(nèi)沒有人的情況下，教室外面到人不能夠隨意進入。系統(tǒng)可以添加教師權限，學校所有教師可以通過錄入指紋到后勤管理系統(tǒng)，如果某個老師在某天在哪個教室有課，后勤系統(tǒng)則會下發(fā)這個指紋數(shù)據(jù)到對應的教室控制端，這個老師則可以通過指紋打開這個教室的門。

3.3.2多媒體講臺節(jié)點

多媒體講臺也通過系統(tǒng)控制，如圖5所示，以cc2530為核心，作為一個zigbee網(wǎng)絡的終端節(jié)點，當某個教室有課時，該教室接收到上課的控制信號后，提前打開多媒體設備電源，發(fā)出啟動多媒體設備信號進行控制，同時這個節(jié)點通過光敏傳感器采集室內(nèi)的光照強度信息，決定是否需要開燈。

3.2.3空調(diào)控制節(jié)點

空調(diào)控制終端如圖7所示，以cc2530為核心，作為zigbee網(wǎng)絡的一個終端節(jié)點，接收到啟動空調(diào)的控制信號后，首先是啟動空調(diào)電源，再與空調(diào)控制板建立通信連接，發(fā)送控制信號，讓空調(diào)工作在相應的模式，控制相應的溫度等，同時這個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啟空調(diào)。

4總結

本系統(tǒng)實現(xiàn)了后勤管理中心對各個教學樓的設備遠程控制和管理，并且能夠?qū)崟r監(jiān)測受控用電設備的狀態(tài)和教室的環(huán)境，后勤管理中心針對各個教室的環(huán)境，根據(jù)學校教務系統(tǒng)課表數(shù)據(jù)庫各個教室的設備進行控制。

基于無線網(wǎng)絡的智能教室管理系統(tǒng)，省去了布線的麻煩，安裝布置方便快捷，通過教務系統(tǒng)和后勤系統(tǒng)的管理控制，能夠有效地控制各個教室的用電設備，節(jié)約更多的電力資源，讓電力資源更加高效的服務于高校管理和教學。