共享學(xué)習(xí)空間綠色智能控制系統(tǒng)設(shè)計

金雪莉，魏夢穎，伍飛宇，李俊娟，周群玲，陳梓浩

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 廣州 511483）

0 引言

近年來，基于開放式教學(xué)理念，我國不少高校在圖書館、實訓(xùn)樓和宿舍生活區(qū)規(guī)劃建造共享學(xué)習(xí)空間，旨在讓學(xué)生彼此合作互相交流。相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：部分共享學(xué)習(xí)空間環(huán)境較差，不能滿足學(xué)生需求，空間使用頻率低；部分共享學(xué)習(xí)空間出現(xiàn)碩大的空間使用人數(shù)少甚至無人，能耗大的情況[1-3]。因此，控制室內(nèi)環(huán)境設(shè)備，提升共享學(xué)習(xí)空間的室內(nèi)環(huán)境舒適度，吸引更多學(xué)生前來，同時智能化控制設(shè)計，降低空間能耗，就成為共享學(xué)習(xí)空間發(fā)展面臨的最大問題。

1 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能分析

實現(xiàn)共享學(xué)習(xí)空間室內(nèi)環(huán)境舒適度和智能化控制，應(yīng)考慮到以下功能：①對室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，為環(huán)境控制設(shè)備的控制策略提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持；②將各種終端設(shè)備、控制設(shè)備和輸入設(shè)備接入控制平臺，配套具有運算和發(fā)出指令的功能的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)通過手機或電腦對各種終端設(shè)備進行控制，智能化地協(xié)調(diào)設(shè)備動作；③基于健康生活理念，增加室內(nèi)二氧化碳濃度監(jiān)測，完善系統(tǒng)控制策略；④針對部分共享空間使用頻率較低，考慮降低空間能耗，個性化定制節(jié)能控制模塊。

1.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理、邏輯控制和終端執(zhí)行三部分組成。

數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析和存儲，主要由上位機管理系統(tǒng)和外部數(shù)據(jù)庫（MUSQL）組成，通過數(shù)據(jù)服務(wù)器配合上位機程序完成相應(yīng)的展示及邏輯控制功能。

邏輯控制模塊負(fù)責(zé)終端設(shè)備的開啟關(guān)閉功能，主要由可編輯邏輯控制（PLC）完成。

終端執(zhí)行模塊主要包括窗戶、空調(diào)、風(fēng)扇、燈光等終端設(shè)備的動作執(zhí)行，執(zhí)行命令主要由PLC控制器和上位機軟件完成發(fā)送，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)備系統(tǒng)共9個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)獨立又統(tǒng)一，可以單獨對某一子系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，也可受總控制平臺管理。

2.1 LED顯示系統(tǒng)

整個系統(tǒng)顯示通過1臺55寸8K液晶電視實現(xiàn)，服務(wù)器和大屏通過HDMI接口對接實現(xiàn)聲音圖像展示。

2.2 人體監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機軟件通過控制PLC實現(xiàn)了各區(qū)域人體監(jiān)測功能。

2.3 窗戶控制系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機軟件通過控制PLC實現(xiàn)了各區(qū)域窗戶的系統(tǒng)控制功能。

2.4 燈光控制系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機軟件通過控制PLC實現(xiàn)了各區(qū)域燈光的系統(tǒng)控制功能。

2.5 室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

包括室外溫濕度、風(fēng)速、光照照度。水浸等采集，以上設(shè)備均通過RS485通信接口和服務(wù)器連接，上位機數(shù)據(jù)通信通過Modbus-RTU協(xié)議實現(xiàn)，可實現(xiàn)相關(guān)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

2.6 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

包括室內(nèi)溫濕度、光照照度。CO2濃度等采集，以上設(shè)備均通過RS485通信接口和服務(wù)器連接，上位機數(shù)據(jù)通信通過Modbus-RTU協(xié)議實現(xiàn)，可實現(xiàn)相關(guān)監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。

2.7 空調(diào)控制系統(tǒng)

電腦上機系統(tǒng)和紅外空調(diào)控制器通過Modbus-RTU通信，實現(xiàn)對制冷、制熱開關(guān)機及溫度調(diào)節(jié)控制。

2.8 電扇控制系統(tǒng)

系統(tǒng)上位機軟件通過控制PLC實現(xiàn)了各區(qū)域風(fēng)扇的系統(tǒng)控制。

2.9 人流計數(shù)系統(tǒng)

通過RS485通信接口和服務(wù)器連接，上位機數(shù)據(jù)通信通過Modbus-RTU協(xié)議實現(xiàn)。可實現(xiàn)進入人數(shù)和離開人數(shù)的計數(shù)功能。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件平臺對應(yīng)用場景進行了模式化設(shè)計，以提升控制質(zhì)量，滿足不同環(huán)境情況下的需求，具體細化為以下3個模式：

3.1 界面手動模式

當(dāng)需要調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定的環(huán)境值時，或者出現(xiàn)應(yīng)急管理情況時，可以選擇界面手動模式。該模式是考慮到初期系統(tǒng)環(huán)境設(shè)定參數(shù)不夠準(zhǔn)確，如若出現(xiàn)環(huán)境需求未滿足的情況或是系統(tǒng)、部分設(shè)備出現(xiàn)連接問題時使用，該模式設(shè)定任何情況下都可以使用。

3.2 舒適模式

以熱舒適為目標(biāo)設(shè)定系統(tǒng)最優(yōu)環(huán)境參數(shù)值和控制流程[4]，系統(tǒng)開啟后，可根據(jù)室內(nèi)外溫度T內(nèi)、T外和CO2濃度監(jiān)測值自動調(diào)節(jié)環(huán)境控制設(shè)備，自動開啟電扇，自動開啟空調(diào)，光線不足時自動開啟燈光，室內(nèi)空氣質(zhì)量較差時自動開窗，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化管理。舒適模式控制流程如圖2所示。

圖2 舒適模式控制流程圖

3.3 節(jié)能模式

部分共享學(xué)習(xí)空間使用頻率較低，在某些時間段使用人數(shù)較少時，可開啟節(jié)能模式。節(jié)能模式下將學(xué)習(xí)空間根據(jù)使用和空間分布的特點分區(qū)，進行分區(qū)環(huán)境控制，控制策略和舒適模式相同。當(dāng)人流計數(shù)系統(tǒng)監(jiān)測到有人進入時，系統(tǒng)設(shè)備才開啟，并只開啟部分區(qū)域，當(dāng)人流監(jiān)測到進入人數(shù)達到設(shè)定值時，再開啟其他部分區(qū)域。當(dāng)人體監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到部分區(qū)域無人并且超過10分鐘，該部分區(qū)域環(huán)境設(shè)備自動關(guān)閉。該模式能降低環(huán)境設(shè)備能耗，實踐雙碳目標(biāo)[5]。節(jié)能模式控制流程如圖3所示。

圖3 節(jié)能模式控制流程圖

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在分析共享學(xué)習(xí)空間環(huán)境及使用特點的基礎(chǔ)上，從用戶動態(tài)需求和節(jié)能降耗的角度出發(fā)進行系統(tǒng)設(shè)計，帶來從控制平臺到應(yīng)用場景方案的整體創(chuàng)新，真正實現(xiàn)了環(huán)境控制智能化。