教学楼电能节能控制系统的设计

摘  要： 针对高校教学楼教室使用及其内用电设备使用存在不科学的管理而造成电能等资源严重浪费的问题，设计了一种远程的教学楼电能节能控制系统。系统既可以由用户通过手机或PC实现对教学楼中用电设备的控制与管理，又可以根据学校的通、断电安排自动控制教室内的用电设备供电。该系统已应用于某高校的教学楼中，运行结果表明，该设计具有结构简单、易安装、性能可靠、方便实用等众多优点，达到了节约能源和节约人力、物力的目的。

    关键词： 电能节能控制；STM32；STM8；自动控制与管理；单火线供电技术

    中图分类号： TN709；TP29

    文献标识码： A

    DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.020


    中文引用格式： 于新业，易艺，郝建卫. 教学楼电能节能控制系统的设计[J].电子技术应用，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，我国绝大部分高校教学楼教室内的用电设备（照明灯、风扇、空调等）使用处于一种由进入教室内的人员人工控制的方式。由于缺乏对教室使用及其内用电设备使用进行科学合理的控制与管理，因而教室内电气设备有效利用率不高，造成资源的严重浪费[1]。具体表现为：学生节能意识不高，造成巨大的电能浪费，如教室内温度适宜却开空调，光线充足却打开照明灯，学生离开教室忘记关空调、风扇、照明灯的现象[2]；自习教室开放管理不当造成的电能浪费，如自习教室内学生较少却打开全部的照明灯、风扇等用电设备[3]。为了解决上述存在的问题，设计了一种远程的教学楼电能节能控制系统，系统具有远程控制和管理的功能，既可以通过手机或PC实现对教学楼中用电设备进行控制与管理，又可以根据学校的通、断电安排等要求自动控制教室内的用电设备供电，还可以根据教室内不同区域自然光强弱自动开关分组灯，解决学生节能意识不高、自习教室开放管理不当等造成巨大的电能浪费的问题。该系统具有结构简单、性能可靠、成本较低和易安装等众多优点。

1 系统的组成和原理

    教学楼电能节能控制系统由教室节点单元、教学楼电井控制单元、教学楼主控中心单元和电能节能控制中心单元组成，其系统组成框图如图1所示。

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    教室节点单元安装于每间教室的供电入口处或用电设备开关控制处，教学楼电井控制单元安装于每栋教学楼的配电电井，教学楼主控制中心单元安装于每栋教学楼的配电房，电能节能控制中心单元安放在整个校园配电管理中心。手机通过WiFi或GPRS与电能节能控制中心进行通信，PC通过WiFi或USB与电能节能控制中心进行通信。电能节能控制中心单元、教学楼主控中心单元、教学楼电井控制单元和教室节点单元通过通信模块进行通信。管理者可以在手机或PC上安装客户端软件，根据需要通过手机或PC输入指令和数据，通过选定的通信方式(手机选择WiFi或GPRS，PC选择WiFi或USB)对电能节能控制中心单元、教学楼主控中心单元、教学楼电井控制单元和教室节点单元进行控制与管理。

2 系统硬件电路设计

    系统的硬件电路设计主要包括教室节点单元、教学楼电井控制单元、教学楼主控中心单元和电能节能控制中心单元的电路设计。

2.1 教室节点单元的硬件设计

    为了方便施工人员安装与改造，教室节点单元采用单火线供电技术进行设计，它主要由单火线接线端、单火线开关电源模块、线性稳压模块、微控制器、无线通信模块、继电器驱动与检测保护模块和多路继电器组成，其硬件设计框图如图2所示。

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    市电220 V从单火线接线端的输入端接入教室节点单元，然后分为两路：一路用于取电，送给单火线开关电源模块和线性稳压模块，给教室节点单元的各个电路模块进行供电；一路通过教室节点单元控制的多路继电器，给教室的用电设备提供电源。

    微控制器选用ST公司的STM32F103C8T6，该系列微控制器价格便宜，资源丰富，是目前流行的微处理器之一。

    继电器采用松乐继电器公司的 SRD-12VDC，线圈工作电压12 V，带负载能力为10 A。

    单火线开关电源模块型号为DY10A，该模块具有外围电路简单、输入电压范围宽、空载电流小、功耗低和输出直流电压稳定、纹波系数小等众多优点。

    线性稳压模块采用ME6203A线性稳压芯片，具有高输入直流电压转低输出直流电压的特性，输入直流电压最高可达到40 V，输出直流电压为3.3 V，具有超低静态电流，平均值为3 μA，输出最大电流为100 mA。

    无线通信模块采用以TI公司生产的CC2530F256芯片为核心组成的ZigBee无线数据传输模块[4]，模块除了具有通信功能外，还可以根据需要获取教室内各个传感器节点的数据，并进行处理和控制。

    触摸开关采用电容触摸开关，不但可以延长按键的使用寿命，而且比目前所使用继电器自锁方式组成的开关电路的功耗低。

    检测开关电路由照度检测开关电路和人数检测开关电路组成。为了节约照明用电，在教室的多个位置安装光照度传感器，照度检测开关电路采用以TI公司生产的CC2530F256芯片为核心组成的ZigBee模块进行组网[4]。首先由CC2530F256芯片控制传感器获取相应的数据，然后通过无线通信方式将教室内的光照等数据回传给教室节点单元的STM32微控制器，同时根据获取到的数据进行控制决策。为了实现对自习教室用电设备的管理，增加了人数检测开关电路，在教室内安装ID识别模块，用于检测进入教室的学生人数。ID识别模块分为两个读头，一个用于进入教室刷卡，一个用于离开教室刷卡。人数检测开关电路采用以TI公司生产的CC2530F256芯片为核心组成的ZigBee模块进行组网[4]，通过无线方式将教室内的人数等数据传送给教室节点单元的STM32微控制器，同时根据获取到的数据进行控制决策，对教室的照明进行分区供电。

2.2 教学楼电井控制单元的硬件设计

    教学楼电井控制单元是将教学楼主控制中心单元的控制信号进行转换并实施的装置，实现该楼栋某个区域或该楼栋某个电井的断电和供电。它由微控制器模块、通信模块、固态继电器和交流接触器组成，其硬件设计框图如图3所示。

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    教学楼电井控制单元的通信模块分为有线通信模块和无线通信模块，其中无线通信模块与教室节点单元的无线通信模块通信，有线通信模块与教学楼主控制中心单元的通信模块通信。

    微控制器选用ST公司的STM8S103F3芯片作为微处理器，其内部资源丰富，拥有8 KB Flash、1 KB RAM，支持2.95 V～5.5 V供电，成本低，抗干扰能力强[5]。

    固态继电器选用FOTEK SSR-25DA，它具有双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断，输入回路与输出回路之间光隔离，输入端与输出端之间隔离耐压2 500 V以及直流控交流等众多优点。

    根据给教室供电所需要的电流大小来选择电流合适的德力西公司生产的交流接触器。

    微控制器通过通信模块接收教学楼主控中心和教室节点单元的指令，通过控制固态继电器的吸合与断开来控制交流接触器的吸合与断开，从而达到对教室供电的控制。

2.3 教学楼主控中心单元的硬件设计

    教学楼主控中心单元用于控制该栋楼的集中通电与断电时间。它由通信模块、高精度时钟模块、键盘与显示模块和微控制器组成，其硬件设计框图如图4所示。

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    微控制器选用ST公司的STM8S207R芯片作为微处理器，其内部资源丰富，具有功耗低、成本低、性能高、抗干扰能力强等特点[6]。

    通信模块由无线通信模块和有线通信模块组成。无线通信模块采用TI公司生产的CC2530F256芯片来实现，它与电能节能控制中心的ZigBee通信模块组成ZigBee无线通信网络来完成数据和指令的传输。有线通信模块采用Sipex公司生产的SP485EE芯片来实现，它与教学楼电井控制单元RS485通信模块相连接来完成数据和指令的传输[7]。

    高精度时钟模块选用Dallas公司生产的内部自带晶振电路的DS3231芯片来实现。由于DS3231芯片内集成有温补晶振(TCXO)和晶体，因此其具有低成本和高精度的实时时钟等众多优点[8]。

    触摸显示模块选用陶晶驰公司生产的3.2寸组态触摸显示屏。该屏幕使用的是USART接口，方便与微控制器相连，具有良好的HMI[9]，可以用于设置或显示当前教学楼主控中心的时间、楼栋的通电与断电状态，或者临时手动控制楼栋的通电与断电。

2.4 电能节能控制中心单元的硬件设计

    电能节能控制中心单元用于控制学校每栋教学楼的集中通电与断电时间。它由通信模块、高精度时钟模块、GSM模块、PC通信模块、键盘与显示模块和微控制器组成，其硬件设计框图如图5所示。

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    电能节能控制中心单元上设置有高精度的日历时钟，并可以存放管理多栋楼教室通电与断电的时间数据。用户既可以根据需要通过手机或PC在任意时刻实现对某栋或某几栋教学楼的通电与断电，又可以通过PC或手机进行设置或修改某栋教学楼的通电与断电控制时间。一经设置完成，电能节能控制中心就可以脱离PC或手机单独工作。

3 系统软件设计

    系统的软件设计主要由教室节点单元软件、教学楼电井控制单元软件、教学楼主控中心单元软件、电能节能控制中心单元软件组成。

3.1 教室节点单元软件设计

    教室节点单元的软件设计由用C语言编写的各个模块程序组成，主要包括无线通信模块和检测开关电路的ZigBee组网程序、光照度传感器驱动程序、ID读卡驱动程序、触摸开关检测程序和STM32控制继电器的程序等，其主程序流程图如图6所示。

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3.2 教学楼电井控制单元软件设计

    教学楼电井控制单元主程序流程图如图7所示。教学楼电井控制单元的硬件电路一直处于通电工作状态（除非停电或人为断电），主要用来接收教学楼主控中心单元的指令，并根据指令控制指定区域的交流接触器，进而控制是否给该区域教室供电。

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3.3 教学楼主控中心单元软件设计

    教学楼主控中心单元的软件设计主要包括键盘与显示模块的驱动程序、高精度时钟模块的驱动程序、无线通信模块的ZigBee组网程序和有线通信模块的RS485驱动程序，其主程序流程图如图8所示。

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3.4 电能节能控制中心单元软件设计

    电能节能控制中心单元的软件设计主要包括USART的驱动程序、高精度时钟模块的驱动程序、无线通信模块的ZigBee组网程序和GSM模块的驱动程序，其主程序流程图如图9所示。电能节能控制中心单元既可以通过USB线与PC连接，又可以通过GSM模块和安装有自编APP程序的手机联机。通过PC或手机设置每栋教学楼的每个区域电井的通电和断电控制要求，并通过教学楼主控中心单元将各教学楼的控制状态数据传送至PC或手机端显示，既可以方便管理员实时掌握教学楼供电状态，又可以供学生查询自习教室的开放情况。

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4 系统功能测试

    教学楼电能节能控制系统设计完毕后，将其安装在广西某高校的教学楼中，学校管理者根据学校的通、断电安排等要求，通过手机或PC设置各栋教学楼分区的通电和断电时间、自习教室的开放等各项参数，然后启动该系统，并让其试运行。使用调光灯模拟自然光照射教室节点单元中的光传感器，对照明供电进行了测试，测试结果如表1所示。

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    该控制方法符合中华人民共和国国家标准《建筑照明设计标准》GB50034-2013关于新建、改建和扩建的居住、公共和工业建筑的一般照度标准值的规定[10]。对安装在广西某高校的教学楼中的教学楼电能节能控制系统的单个控制单元进行了功耗测试，测试结果如表2所示。

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    安装该节能控制系统的广西某高校设置有1个电能节能控制中心单元、5个教学楼主控中心单元，每栋教学楼有12个教学楼电井控制单元，每个电井控制20个教室节点单元。根据表2的测试结果和学校教学楼使用该节能控制系统的照明总电表用电量进行对比可知：未使用教学楼电能节能控制系统之前，每天晚上22：00后需教学楼管理人员手动关闭每间教室的照明灯，该学校教学楼用电记录中纯照明用电平均每月为564 480 kWh；使用教学楼电能节能控制系统之后，学校教学楼照明用电为平均每月395 136 kWh，平均每月节省169 344 kWh，实现了良好节能的效果。

5 结束语

    本文选用STM32芯片和STM8芯片作为微控制器，将传感器检测技术、ZigBee技术、单火线技术和通信技术等有机地结合在一起，设计了一种远程的教学楼电能节能控制系统，并详细阐述了系统的工作原理和软硬件设计，最后将其应用于广西某高校的教学楼中进行试验。运行结果表明，系统不但可以通过手机或PC远程实现对教学楼中各教室、办公室的用电设备按照学校的通、断电安排进行自动控制与管理，而且具有结构简单、易安装、性能可靠等众多优点，符合当今社会所提倡的“节约能源，低碳环保，可持续发展”的主题，达到了节约能源、节约管理者的人力和物力的目的，具有良好的市场前景。

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