CN102645926A - 一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统。该系统包括主控单片机、驱动电路、显示模块、人数统计模块、时钟模块、环境光强检测模块以及电源模块，多个模块为系统提供了时间、教室总人数、区域人数、光强等四个基本的逻辑判断依据。本发明能够对教室的灯实现分区控制，单片机根据多个逻辑条件，判断每个区域的灯是否需要打开。同时引入风扇的分区分级智能控制，根据逻辑条件来判断每个区域风扇的开关以及速度。另外，系统在软件部分充分考虑到工作的稳定性，在多个环节设置滞回比较逻辑、延时逻辑。

Description

一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统

技术领域

本发明涉及一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统，属于照明控制技术领域，主要用于对教室照明检测控制及温度检测控制，实现教室照明的智能化、节能化。 

背景技术

现在大学教室主要是利用开关控制照明，这种开关一般包括两种：一种是定时开关结合手动方式，它结合学校的作息时间和室内人员对照明的需求来控制开关，以起到控制教室照明的作用，这种粗放式的控制方式很大程度上依赖于人的自觉性，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的时候，特别是在白天，情况更是如此，从而造成大量的能源浪费。另一种是采用照度感应开关来自动控制灯具的开关，这是近几年出现的技术，是对传统手动式控制照明的一种很大改进，主要实现在室内照度低于设定值且检测范围内有人员存在时才开启照明设备。

目前已存在诸多后一类型的技术，如教室照明节能智能控制系统（200820075481.2）采用主动式近红外直射辨向探测器技术来动态检测教室的实际人数，根据教室人数的多少分区域开灯，实现人多多开灯，人少少开灯；教室照明无线检测与控制装置及方法（200910234395.0）由一个无线光照控制器和一个无线光照检测器配对使用，每组日光灯管配置一对无线光照控制器和无线光照检测器，通过无线方式检测教室课桌坐位照度，与设定的照度下限和照度上限比较，并结合课桌坐位上是否有人，实现对坐位上方的照明灯进行开启和照度控制；一种基于人数控制的教室照明装置（201020577752.1）是在每排灯的零线回路中接入继电器，继电器的输入端由单片机通过三极管提供输入电压，在单片机上接入对射式光电开关，有人进出教室，单片机通过检测脉冲的个数以及脉冲产生的时间实现对教室内人数的统计，然后根据人数来控制每排灯的继电器，从而控制每一排灯具；基于人体红外热释电传感器模块控制的教室照明装置（201120194193.0）用红外热释电器件探测教室的每个区域是否有人，对教室的灯实现分区控制，用动态热释电器件对教室每个区域的人数进行统计，然后，根据每个区域的人数决定该区域是否开灯。

这一类技术在一定程度上避免了教室无人时出现长明灯的现象，实现节能，但也存在一定弊端，比如受环境温度影响较大、对静物不能探测、人员进出和移动对系统有较大影响等；另外，目前的产品中大多只考虑了系统的硬件，没有从软件上进一步对系统进行优化而软件的优化对一个系统是特别重要的，这关系到整个系统的稳定性，而且对教室的温度少有控制。

现有的教室照明控制系统虽然产品和技术都已相对成熟，但却多采用单一定时控制、场景控制或简单的传感器控制，很难满足大学教室人员多、流动性强等特点。教室是一个相对特殊的环境，需要针对其特点，专门为其照明控制设计一个智能化控制系统。考虑到高校教室具有人员流动性大，长时间开放，无固定作息时间，座位不固定，教室用途多等特点，控制必须以人体存在信号、光强为作为控制开关灯的依据，两者缺一不可。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题和不足，公开一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统，该发明以光强、人数、人员分布、时间作为控制依据，并且可以通过人工设置参数来改变这些依据的默认值，扩大系统的应用范围，该系统包括主控单片机、驱动电路、显示模块、人数统计模块、时钟模块、环境光强检测模块、风扇控制模块以及电源模块。多个模块为系统提供了时间、教室总人数、区域人数、光强等四个基本的逻辑判断依据。

系统以单片机C51为主要控制芯片。首先根据教室人数信号确定开灯的组数。具体的逻辑为10人以下开一组灯，10到30人开两组灯，30人以上开三组灯。将教室进行分区控制，对每个区域进行人数统计。由于用红外热释电器件进行人数统计的结果不是很精确，所以，在区域人数统计过程中不进行具体人数的统计，只对各个区域的人数进行排序，确定开灯优先级。然后根据优先级确定首先开灯的区域，对每个区域的光强进行探测，若该区域的光强已经达到要求的光强，则该区域灯不开，在某区域满足开灯要求并开灯后，再次对各区域进行光强检测，以进一步确定由开灯先后顺序不同导致的人员分布变动，既满足光照要求又满足节能需要。同时加入作息时间控制信号，在夜晚和寒暑假的特定时间不开灯，进一步加强节能。

从硬件上，系统通过人体检测模块、光强检测模块芯片等数据采集机制，为准确控制如教室等大面积照明场所提供了较为可靠的数据依据；另外，对教室进行区域划分，每个区域安装检测传感器，传感器数据发送给单片机，由单片机综合考虑开关哪些区域的灯，这样就从根本上解决统一开关灯的浪费问题。

从控制方法上，以时间作为启动和关闭系统的依据，以光强、人数及人体位置信号作为系统启动后开关灯的判断标准。将时间作为控制依据进一步加强了对节能的监管，具体了控制的工作时间与非工作时间。系统在确定开灯组数和哪个区域人数多时，都采用软件的滞回比较逻辑。以延长灯具寿命，提高系统的稳定性。多条件的控制逻辑可以完善系统控制，以解决人员分布过于分散时打开较多灯的问题，增强节能效果。实现本发明的主要技术方案如下。 

一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统：该系统包括主控单片机、驱动电路、显示模块、人数统计模块、声音提示模块、时钟模块、环境光强检测模块、温度检测模块以及电源模块组成；人数统计模块包括：教室总人数统计模块和对教室内各个区域中每个区域的人数进行统计的区域人数统计模块，控制系统根据总人数统计模块和环境光强检测模块的检测结果初步确定需要开灯的总组数，并根据区域人数统计模块的检测结果确定各区域的开灯优先级。

进一步优选的技术方案包括：所述总人数统计模块包括对射式红外传感器，运动方向识别器，加减脉冲计数电路，显示电路，教室的每个门口安装两个对射式红外传感器，根据遮挡两个对射式红外传感器的顺序，由运动方向识别器处理形成人数进出的脉冲信号，教室所有门口传感器输出的人数信号经过运算后，同时传送给主控单片机和显示电路。

进一步优选的技术方案包括：所述区域人数统计模块根据教室的分区控制情况，在教室的每个区域安装一个红外热释电传感器对该区域的人数进行统计，且所述每个区域的人数统计模块为动态红外热释电器件，用单片机控制的电磁装置驱动遮光板每隔若干分钟进行信号采集，在该传感器的四周安装还安装有定向遮光板，以避免周围区域的人对其产生影响。

进一步优选的技术方案包括：所述的环境光检测模块包括光强频率转换，按照教室的分区的情况分区采集各个区域的光线强度。

进一步优选的技术方案包括：所述的时钟模块包括一个独立的电源，避免在断电时系统的时间紊乱，该模块为主控芯片提供准确的时间（包括日历）。

进一步优选的技术方案包括：所述的声音提示模块，使整个系统更加人性化。

进一步优选的技术方案包括：根据教室的总人数决定最多的开灯组数。每组等的开关界限均不为同一值，每组灯的开灯限L0比该组灯的关灯限L1大10（数值可设），这样相当于一个软件的滞回比较，使系统更加稳定，延长灯具使用寿命，避免人数恰好在门限值时，灯随教室人数的微变而不停地亮灭造成灯具寿命缩短。

进一步优选的技术方案包括：根据每个区域的红外热释电器件统计的人数进行排序，确定开灯优先级，再结合总人数信号提供的开灯组数，就可以确定那组灯可以打开。

进一步优选的技术方案包括：排序中加入不响应范围和延时逻辑。在改变开灯优先级时，人为设置不响应范围屏蔽人数略变时对系统的影响，避免两个区域人数相近时导致系统不稳定；加入延时逻辑，避免人员临时在教室中位置的变动对系统产生影响。

进一步优选的技术方案包括：根据环境光检测模块，最终决定该组灯是否打开。

进一步优选的技术方案包括：可以提供风扇是否需要开启的温度信号，然后将该信号与灯组控制信息逻辑与，最终控制风扇的开启和转速。

本发明能够对教室的灯实现分区控制，单片机根据多个逻辑条件，判断每个区域的灯是否需要打开；同时引入风扇的分区分级智能控制，根据逻辑条件来判断每个区域风扇的开关以及速度。另外，系统在软件部分充分考虑到工作的稳定性，在多个环节设置滞回比较逻辑、延时逻辑。

本发明旨在克服以往系统的不足，从低碳节能环保的理念出发，立足于节能，适用于高校教室灯光控制。该系统以光强、人数、人员分布、时间作为控制依据，并且可以通过人工设置参数来改变这些依据的默认值，在扩大系统的应用范围，能够在结合教室总人数、教室每个区域的人数、教室每个区域的环境光强、时间等四个控制条件。通过多逻辑控制，实现教室照明的智能化、节能化。   

附图说明

图1为系统的单元结构框图。

图2为时钟模块软件流程图。

图3为风扇控制模块主程序流程图。

图4为温度显示模块程序流程图。

图5为区域人数模块程序流程图。 

具体实施方式

本发明要解决的问题是通过如下方案实现的：将人数信号细化为两个方面，包括教室总人数和教室中每个区域的人数。按照分区控制的方案，系统首先根据教室的总人数决定开灯的组数。然后，根据教室每个区域的人数信号，确定开灯优先级。在某区域灯打开后再次核对个区域的人数情况，以满足进一步节能需要，在排序的控制逻辑中加入不响应人数和延时动作逻辑，增强系统的准确性、稳定性。在决定开几组灯的逻辑中加入滞回比较逻辑，在教室人数恰好在分界线时，使系统也能稳定工作。

以一间普通的教室为例，假设将教室分成三个区域，每个区域一组灯。教室门口的对射式红外传感器，统计教室的总人数，各个门口的信息汇总后，传送给单片机和显示电路，根据上述逻辑主控单片机决定开几组灯。三个区域上方的动态热释电器件，检测每个区域的人数，并进行比较，为系统提供三组灯的开灯优先级，需要开启哪一组灯，还要看该区域的光强是否弱到标准值以下。若在标准值以下，且前面的逻辑有允许开灯则主动单片机给驱动器信号，该组灯开启。之后，再次检测每个区域的人数情况及光照情况，确定之后开灯次序及组数。在每天晚上22点55分进行一次声音提示，提醒大家离开教室，23点关闭教室的所有灯，第二天重新开启系统。

国家标准《建筑照明设计标准 GB50034—2004》规定教室、阅览室的照度值应不低于300lx，根据此规定可选择300lx作为照度的最小阈值，即教室内光照度小于300lx时，若教室有人，就打开相应区域的灯；大于300lx，无论是否有人都不开灯。但是只选取一个照度下限作为光照度的控制依据是不够的，系统在检测光照度时，仪器检测的是环境中自然光与灯光的照度之和，即当系统检测到光照度小于300lx时，就会打开灯对环境光进行补偿，但灯打开后，光照度自然会大于300lx，系统便会依据光照度大于300lx，而关闭教室中本该打开的灯，这样就会导致控制出现紊乱，不停的开灯关灯，致使系统无法使用。为解决这一问题，需要在光照度的控制标准上加入一个控制上限，还需要在软件编程时加入一个开灯标志位，在系统初始化时，将每个区域对应的开灯标志位置0，若某个区域的光照度小于300lx，在打开该区域的灯的同时将该区域的开灯标志位置1，也就是说开灯标志位为1就说明该区域的灯已经打开，此时，只要光强小于光照强度上限则不关灯。因为光照度是自然光和灯光的照度之和，灯光的照度为一定值，只要阀值上限不大于灯光的照度加上300lx；就说明自然光照度仍低于300lx，仍需要开灯；若是在灯打开的情况下，总照度大于阀值上限，则关闭日光灯。

同时，为避免光强恰好在300lx时系统处在临界稳定状态，灯可能会不停地开关，这样不仅影响系统的稳定性，而且会大大缩短灯具的寿命，节能的目的就得不到很好的体现。为此，将开灯的光照下阈值下调至290lx，关灯的上阈值上调到310lx加上灯光的照度，相当于一个软件的滞回比较，增强系统的稳定性。

为了将光强即照度的测量结果量化，选用新一代集成化的可编程光频转换器作为智能传感器，将可配置的光电二极管阵列和电流/频率转换器等集成在单片集成电路中，直接输出较高精度的数字信号并和微处理器接口，更为重要的是它可以输出频率与光强度成正比的占空比50%的脉冲串或方波，为量化照度测量值提供了极大的方便。

由于本系统中对光强信号的检测是多点独立式的模型，故一共安排了六组光强检测器。在用单片机进行脉冲计数（频率测量）时，对六个光频转换器的信号用集成数据选择器进行数据的选通。六组光频转换器的信号经过数据选择依次准备进入单片机，进行分时频率采集，最终确定每个区域的光强。传感器输出的信号再送入高速CMOS器件，对信号进行整形，提高信号边缘的陡峭程度，减小单片机对频率信号计数的误差。

如图1所示为系统的单元结构框图，包括主控单片机、电源模块、人数统计模块、环境光强检测模块、时钟模块、温度检测模块、声音提示模块，各部分功能如下。

主控单片机：本系统的主控模块主要采用的单片机作为主控芯片，芯片内置看门狗电路可以防止系统在运行时程序跑飞。

电源模块：系统接通220V交流电源后，经变压器、整流、滤波、稳压等，得到5V电压，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路的VCC+端供电。

人数统计模块：教室总人数统计模块由对射式红外线传感器、运动方向识别传感器组成以及加法器组成，教室每个区域的人数统计模块用红外传感器确定每个区域的人数。

环境光强检测模块：本模块包括光信号转换部分，以及信号加强数据选择进入单片机部分，将光强信号转换为频率信号，也采用分区采集，分别确定每个区域的光强，决定该区域的灯是否需要打开。

时钟模块：本模块采用串行通信方式，将时间信号传给单片机。采用双重供电模式，除+5V电源供电外，还可以采用涓流充电，在断电几小时或者几天的情况下，时钟芯片仍然可以工作，不会造成系统时钟模块停止工作而造成系统时间出错的情况。

温度检测模块：本模块的主要功能是进行温度采集，采用数字温度传感器与单片机交换信息，其读/写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源。

声音提示模块：系统在到达关灯时间前5分钟发出蜂鸣报警，提醒大家抓紧时间离开教室，这是系统人性化的一个设计。

如图2所示为时钟模块软件流程图，在程序运行之初将RST端口置1，读写数据完毕时，使RST置0，防止外部干扰对时钟芯片的影响。DS1302在SCLK上升沿时进行写操作，下降沿时进行读操作。

如图3所示为风扇控制模块主程序流程图，风扇控制模块涉及环境温度采集，温度采集由温度传感器读出并显示环境温度，然后启动温度比较程序，据此判断教室的温度是否高于设定温度上限，一旦高于设定温度上限，根据开灯信号进行与逻辑，最终确定开哪组风扇，同时，引入风扇的智能分级控制程序，根据逻辑条件来判断每个区域风扇的开关以及转速；如果温度低于设定温度下限，则关闭风扇。

如图4所示为温度显示模块程序流程图，温度显示模块采用七段数码管显示电路，以动态方式显示，显示数据由单片机的P1口送出，其位控信号由单片机的P2口出，经信号放大，产生足够大的电流驱动数码管显示。

如图5所示为区域人数模块核心程序流程图，每个区域的人数信号在经过硬件电路后，会变成触发信号。每个区域的人数由定时器/计数器8253采集，采集的数据进入单片机进行比较、排序，然后确定开灯优先等级，在对满足条件的优先级最高的一组灯开灯后，对教室内再次进行区域人数统计和光照强度检测，即引入进行效果反馈，以应对因开灯顺序不同导致人员分布的变动，满足光照需要的同时满足节能要求。

系统选用红外热释电传感器（PIR）对人体进行检测，红外探头中的热释电元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，产生一个信号电压△V，就说明区域内有人，在一定时间内对该信号电压计数，就可以大致计算出区域内的人数。系统的红外探头采用高端双元结构，在传感器内部有两个互相串联且电极化方向正好相反的热释电元件，环境辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，它们产生的释电效应相互抵消，于是探测器上就没有了信号输出，消除了环境辐射对传感器的影响。另外，在红外探头上加一个菲涅尔透镜，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。

红外热释电传感器的信号处理芯片选择高性能的红外传感信号处理器，该处理器是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，其静态电流极小，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内设延迟时间定时器和锁定时间定时器，可以有效抑制内部双向鉴幅器干扰。

本发明基于单片机的教室照明及风扇智能节能控制系统，系统设计采用单片机作为主控芯片，采用对射式红外传感器统计教室实时人数，进而确定开灯数量。采用光频转换器检测环境光强，由热释电红外传感器组成人体模糊定位，最终确定开灯位置。选用时钟模块，为系统的控制提供时间依据，明确了工作与非工作时间的界限，使节能效果得到进一步提升。该系统充分考虑到教室的实际应用情况，在软件设计中加入了滞回比较模块，使得整个系统工作更加稳定、智能。

系统的设计从低碳节能环保的理念出发，立足于节能，适用于高校教室灯光控制。该系统以光强、人数、时间作为控制依据，系统采用分区域控制的方法，加入人数下限，避免了由于人员分布过于分散而打开较大灯的问题；在光强的测量上采用光频转换器TSL230，测量出光的照度值；并以此为基础，在控制方法上加入光强关闭值上下限，解决了开灯后系统会因光强满足要求而误关灯的问题。系统采用多模式控制，而且实现了各模式之间的自动转换，满足了教室多用途的需求。

Claims (6)

1.一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统，其特征在于：该系统包括主控单片机、驱动电路、显示模块、人数统计模块、声音提示模块、时钟模块、环境光强检测模块、温度检测模块以及电源模块组成，系统还包括受到该系统控制的分布在教室内不同区域的若干组照明灯和风扇；其中，所述的人数统计模块包括：教室总人数统计模块和对教室内各个区域中每个区域的人数进行统计的区域人数统计模块，控制系统根据总人数统计模块和环境光强检测模块的检测结果初步确定需要开灯的总组数，并根据区域人数统计模块的检测结果确定各区域的开灯优先级，控制系统还根据温度检测模块的检测数据结合所述人数统计模块中的教室总人数统计模块和区域人数统计模块的检测情况确定风扇的运行总数量和优先级。

2.根据权利要求1所述的一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统，其特征为：所述总人数统计模块包括：对射式红外传感器，运动方向识别器，加减脉冲计数电路，显示电路，教室的每个门口安装两个对射式红外传感器，根据遮挡两个对射式红外传感器的顺序，由运动方向识别器处理形成人数进出的脉冲信号，教室所有门口传感器的人数信号经过运算后，同时传送给主控单片机和显示电路。

3.根据权利要求1和2所述的一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统，其特征为：所述区域人数统计模块根据教室的分区控制情况，在教室的每个区域安装一个红外热释电传感器对该区域的人数进行统计，且所述每个区域的人数统计模块为动态红外热释电器件，用单片机控制的电磁装置驱动遮光板每隔若干分钟进行信号采集，在该传感器的四周还安装有定向遮光板，以避免周围区域的人对其产生影响。

4.一种教室照明以及风扇的智能节能控制系统的控制方法，所述智能节能控制系统为权利要求1-3之一所述的教室照明以及风扇的智能节能控制系统，其特征为：系统首先根据教室的总人数初步确定最多的开灯组数，并且每组灯的开关界限均不为同一值，每组灯的开灯限L0比该组灯的关灯限L1大10（数值可设），以避免人数恰巧在门限值附件变时灯出现开闭交替现象，以提高灯的寿命；其次，系统对每个教室内每个区域的人数进行排序，确定各区域开灯优先级，并在排序过程中加入不响应范围和延时逻辑，以屏蔽人数略变时对系统的影响，避免两个区域人数相近时导致系统不稳定，并避免人员临时在教室中位置的变动对系统产生影响；最后，系统根据总人数和各区域人员分布控制灯具按照不同次序进行开闭。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在确定各区域开灯优先级并且在相应的灯组打开后，对各区域光强和人数分布重新进行检测，并将结果反馈给单片机，以响应因某组灯打开而导致人员分布和光强变动，对控制策略进行修正。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于系统首先检测风扇是否需要开启的温度信号，然后将该信号与灯组控制信息逻辑与，控制风扇的开启和转速。

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