自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目 自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)院系 自動(dòng)化工程學(xué)院專業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí) 12電子科學(xué)02姓名 學(xué)號(hào) 2015年9月1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求12、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1 自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想42.2自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)72.2.1 CC2530單片機(jī)72.2.2 光敏電阻工作原理82.2.3 熱釋紅外傳感器93、 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)103.1光照度檢測(cè)子系統(tǒng)103.2人員檢測(cè)子系統(tǒng)113.3數(shù)據(jù)處理部分123.4燈開關(guān)控制子系統(tǒng)144、設(shè)計(jì)總結(jié)151、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會(huì)的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源

2、數(shù)量形成了巨大的矛盾,能源短缺問題日益突出，成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機(jī)的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求。英國(guó)城市大型徹夜燈光照明現(xiàn)象很少見，無論公司和政府部門，都沒有虛浮華麗的所謂“照明工程”。夜晚漫步在倫敦街頭，看不到大面積光華淌瀉與樓體通明的景觀，所有照明都基本以不影響人們的正常生活節(jié)奏為準(zhǔn)。許多店鋪櫥窗的燈光在打烊后會(huì)全部關(guān)閉，有些店鋪還采用定時(shí)關(guān)燈裝置。在政府住宅樓和公寓樓內(nèi)，樓道里的公用燈也大多采用自動(dòng)斷電裝置。作為提高能源使用效率最重要的途徑之一，德國(guó)政府努力推動(dòng)能源公司實(shí)施“供熱供電結(jié)合”，鼓勵(lì)能源公司將發(fā)電的余

3、熱盡可能用于供暖。2002年，德國(guó)頒布了促進(jìn)“供熱供電結(jié)合”的法規(guī)，根據(jù)這一法規(guī)，政府向?qū)嵤┰摯胧┑哪茉垂?，尤其是小型能源公司提供補(bǔ)助，幫助他們置辦相應(yīng)設(shè)備。中國(guó)城市每年用于公共照明的能源支出高達(dá)280多億，節(jié)能空間巨大。其中路燈照明能耗占30%以上。發(fā)展城市道路照明的同時(shí)，路燈以供街道照明以外，還大力興建了不少景觀照明工程，美化城市的夜景，但同時(shí)也帶來了能耗的極大浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2005年，我國(guó)全社會(huì)的總用電量約為24000億kW·h，照明用電量約為3000億kW·h，且每年以13%  14%的速度遞增，預(yù)計(jì)到2010年，照明用電量將超過5000億kW&

4、#183;h，新增照明用電2000 億kW·h。對(duì)高等院校，據(jù)測(cè)算，其照明耗電占本單位所有耗電的40% 左右，可見在保證照明質(zhì)量的前提下，對(duì)教室燈光進(jìn)行自動(dòng)控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益都是相當(dāng)可觀的。目前對(duì)燈光的智能控制，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始采用，但針對(duì)教室燈光的控制智能系統(tǒng)還不是很完善，依然是人工管理占主導(dǎo)地位?，F(xiàn)在伴隨各類大、中專院校的擴(kuò)招，教學(xué)樓不斷擴(kuò)建，教室用電負(fù)荷不斷加大，教室用電系統(tǒng)管理不善，造成學(xué)校資源的浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失，這種做法顯然與當(dāng)今節(jié)約能源的理念相違背。 當(dāng)今許多教室采用比較傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)：在主電源經(jīng)過一個(gè)配電箱分出多個(gè)支路，這些支路再分別向

5、燈具供電，然后再通過串接在照明中的單雙極開關(guān)來通斷供電線路，所以該控制系統(tǒng)只能通過開關(guān)來控制燈具，無法實(shí)現(xiàn)比較人性化、多功能化的系統(tǒng)管理。如在國(guó)內(nèi)外有些燈光控制系統(tǒng)采用聲控形式但是其沒有經(jīng)過單片機(jī)等芯片的處理使用仍是將采集信號(hào)處理后傳遞給邏輯電路來進(jìn)行燈光控制，假使外界條件惡劣如有噪聲等仍會(huì)造成電能的浪費(fèi)，而且邏輯電路只能實(shí)現(xiàn)較少功能，綜合而言，整個(gè)系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單但是功能不全，而且無法人性化控制?，F(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷普及應(yīng)用，教室燈光系統(tǒng)也應(yīng)朝著更人性化智能化得方向發(fā)展。 本設(shè)計(jì)針對(duì)教室燈光的控制現(xiàn)狀及用電大量浪費(fèi)的現(xiàn)象，分析了教室燈光智能控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了基于單片機(jī)

6、控制的教室燈光智能控制的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)以CC2530單片機(jī)作為控制裝置的智能部件，利用ZigBee機(jī)制工作，采用熱釋紅外傳感器檢測(cè)人體的存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度；根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對(duì)人體的存在信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的識(shí)別和智能判斷，完成對(duì)教室照明回路的智能控制，避免了教室用電的大量浪費(fèi)。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強(qiáng)，性價(jià)比合理等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達(dá)到節(jié)能目的。2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)針對(duì)自習(xí)室的燈進(jìn)行控制，系統(tǒng)判斷自習(xí)室內(nèi)有沒有人和光照強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)控制。

7、所以首先需要檢測(cè)自習(xí)室內(nèi)有沒有人，和自習(xí)室內(nèi)的光照情況，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是開燈還是關(guān)燈，然后對(duì)等的開關(guān)進(jìn)行控制，僅在自習(xí)室內(nèi)有人且光照強(qiáng)度較差的情況下開燈，即可完成自動(dòng)控制和節(jié)能。由光照度檢測(cè)部分、人員檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)處理部分和燈開關(guān)控制部分組成。 光照度檢測(cè)部分周期性采集自習(xí)室內(nèi)的光照強(qiáng)度，每次采集完畢后將采集結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理部分； 人員檢測(cè)部分也周期性判斷自習(xí)室內(nèi)有沒有人員，每次判斷結(jié)束后將判斷結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理部分。 數(shù)據(jù)處理部分接收到前面兩個(gè)部分發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，處理的方法是先看最后一次人員檢測(cè)部分的檢測(cè)結(jié)果，如果自習(xí)室沒人，則直接向燈開關(guān)控制部分發(fā)送關(guān)燈命令，如果自習(xí)室有人，再接著判

8、斷最后一次收到的光照度檢測(cè)結(jié)果，光照度較好就向燈開關(guān)控制部分發(fā)送關(guān)燈命令，光照度較差就向等開光控制部分發(fā)送開燈命令。燈開關(guān)部分接收到數(shù)據(jù)處理部分的控制命令后根據(jù)指示開燈或者關(guān)燈。整個(gè)系統(tǒng)如此便可以智能、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)燈的節(jié)能控制，如圖 2.1.1 所示。圖2.1 自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)框架系統(tǒng)利用ZigBee 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的工作方式是：首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

9、建立通信網(wǎng)絡(luò)，建立成功后，其它通信節(jié)點(diǎn)加入該通信網(wǎng)絡(luò)。加入通信網(wǎng)絡(luò)成功之后，所有的節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，也可以接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息。即可以相互通信。 本設(shè)計(jì)中，Zigbee 系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)、光照度傳感器節(jié)點(diǎn)、熱釋紅外傳感器節(jié)點(diǎn)組成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)Zigbee 系統(tǒng)的核心，主控芯片通過與協(xié)調(diào)器通信可以控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，并且可以讀取其他傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)。 如圖2.1.2所示。ZigBee協(xié)調(diào)器光照傳感器紅外傳感器燈開關(guān)控制圖2.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2自習(xí)室節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1 CC

10、2530單片機(jī) CC2530 是TI公司基于51內(nèi)核研發(fā)的用于2.4-GHz 、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。電路連接圖如圖2.2.1所示。圖2.2.1 CC2530核心板電路連接圖2.2.2 光敏電阻工作原理 本系統(tǒng)采用光敏電阻來采集光照度信息。它的工作原理是基于光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)

11、成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。電路連接如圖所示.圖2.2.2 光照傳感器電路連接圖2.2.3 熱釋紅外傳感器 普通人體會(huì)發(fā)射10um左右的特定波長(zhǎng)紅外線，用專門設(shè)計(jì)的傳感器就可以針

12、對(duì)性的檢測(cè)這種紅外線的存在與否，當(dāng)人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應(yīng)將向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生控制信號(hào)。這種專門設(shè)計(jì)的探頭只對(duì)波長(zhǎng)為10m左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會(huì)引發(fā)探頭動(dòng)作。探頭內(nèi)包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測(cè)信號(hào)。電路連接圖如圖2.4所示。 圖2.2.3 熱釋紅外傳感器電路連

13、接圖3、 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 3.1光照度檢測(cè)子系統(tǒng) 光照度檢測(cè)子系統(tǒng)作為自習(xí)室光照度信息監(jiān)測(cè)的信息采集發(fā)送部分，由光照度節(jié)點(diǎn)完成功能。光照度節(jié)點(diǎn)帶有光照度傳感器，以ADC的方式得到兩個(gè)字節(jié)的光照度數(shù)據(jù)。然后對(duì)采集數(shù)據(jù)和設(shè)定的光照度臨界值進(jìn)行比較，判斷出光照度是明亮還是偏暗。然后向數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)為“光照度節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽”，表明數(shù)據(jù)時(shí)由光照度節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，第二個(gè)字節(jié)是初步處理的結(jié)果，是“0”代表光照度明亮，是“1”代表光照度偏暗，如圖 3.1.1所示。圖3.1.1 光照度節(jié)點(diǎn)工作原理光照度節(jié)點(diǎn)工作流程如 圖 3.1.2所示：圖3.1.2 光照度節(jié)點(diǎn)工作流程圖3.2人員檢測(cè)子系統(tǒng)人

14、員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)帶有人體熱釋電模塊，該模塊工作時(shí)，當(dāng)附近有人就從輸出端輸出高電平，沒人則輸出低電平。通過判斷人體熱釋電模塊輸出口的電平高低得到檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，讀取的返回值為“1”，檢測(cè)結(jié)果是沒人時(shí)，讀取的結(jié)果為“0”。根據(jù)讀取的結(jié)果，向數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)為“人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽”，表明數(shù)據(jù)是由人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，第二個(gè)字節(jié)和檢測(cè)結(jié)果有關(guān)，是“0”表示檢測(cè)結(jié)果是沒人，是“1”表示檢測(cè)結(jié)果是有人，如圖 3.2.1所示。圖3.2.1人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作原理人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)流程如 圖 3.2.2所示：圖3.2.2 人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖3.3數(shù)據(jù)處理部分 數(shù)據(jù)處理部分（也稱數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)）接收

15、光照度節(jié)點(diǎn)和人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過綜合判斷光照度信息和人員檢測(cè)信息得出應(yīng)該開燈或者關(guān)燈的控制命令，然后將控制命令發(fā)送到燈開掛控制節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)由ZigBee網(wǎng)路中的協(xié)調(diào)器完成，光照度節(jié)點(diǎn)、人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)都會(huì)向數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)判斷是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)是該節(jié)點(diǎn)的信息。光照度節(jié)點(diǎn)和人員檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息內(nèi)容和意義已經(jīng)在前面敘述過。如果收到的信息表明自習(xí)室內(nèi)有人且光照度較差，就向燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)“1”，表示“開燈”，否則發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)“0”，表示關(guān)燈。如果第一個(gè)字節(jié)是燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，則第二個(gè)自己表示當(dāng)前燈

16、開關(guān)的控制狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)會(huì)將其地址保存下來，留作向燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)用，如圖3.3.1所示。圖3.3.1 數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)工作原理 所示：圖3.3.2數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)流程圖3.4燈開關(guān)控制子系統(tǒng) 燈開關(guān)控制子系統(tǒng)上帶有4 個(gè)可控亮滅的LED，并周期性的向數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)是“燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽”，表明數(shù)據(jù)是由燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的，第二個(gè)字節(jié)是當(dāng)前的控制狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)中，只有數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)會(huì)向燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的控制命令，所以燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后直接調(diào)用狀態(tài)控制函數(shù)，以接收到的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，調(diào)整控制狀態(tài)，即調(diào)節(jié)燈的開關(guān)狀態(tài)，接收到“1”就會(huì)開燈，接收到“0” 所示。圖3.4.1 燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)工作原理 所示：圖3.4.2 燈開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)流程圖4、設(shè)計(jì)總結(jié) 本課題對(duì)適合應(yīng)用于教室燈光控制系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了研究。以環(huán)境光、人體存在狀況等外界環(huán)境為控制器的輸入?yún)?shù)，比單純的人員管理教室燈光更合理，更有效的降低教室燈光的資源費(fèi)用;同時(shí)還加入了時(shí)間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學(xué)校的作息時(shí)間。本控制系統(tǒng)