CN102665350A - 教室照明节能集中控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种教室照明节能集中控制系统，其特征是它由硬件设备和软件程序构成。硬件设备包括安装在监控室的PC机、USB/RS-485转换器、RS-485/2.4G无线转换器，安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换器、教室照明节能控制器，在教学区分散较大的校园还包括2.4G无线中继器，上述硬件设备组成有线和无线相结合的控制网络。软件程序包括嵌入在RS-485/2.4G无线转换器、教室照明节能控制里的固件程序和安装在PC机上的管理程序，该软件程序实现自动感光节能控制和集中控制的功能，并可实现能耗的概算。应用该系统的有益效果是可以集中管理分散的教学区的教室照明灯具，达到节能的效果。

Description

教室照明节能集中控制系统
技术领域
本发明属于照明控制领域，特别是一种教室照明节能集中控制系统。
背景技术
目前，教室照明节能控制技术有采用红外热释传感器和光敏传感器而设计的单点节能控制的控制器，由于红外热释传感器易受干扰、并且只对运动的人体敏感的特性，容易误触发开灯和关灯，频繁地开关对日光灯管损坏比较严重，其次单点节能控制器不便于集中管理。有采用图像识别技术，通过旋转云台照相，识别教室内的人员分布控制开灯、关灯的技术，但其存在成本高的缺点。公告号为CN 201230398Y的中国实用新型专利公开了一种采用主动式近红外直射辨向探测技术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，采用磁敏传感技术检测座位上是否有人，通过微控制器控制区域的照明，该发明存在传感器数量相对较多，安装施工不方便和稳定性不好的缺陷。公告号为CN201303451Y的中国实用新型专利公开了一种教室照明节能控制器通过对环境光检测、人体存在检测，根据作息时间控制灯光驱动电路的工作，存在误触发的缺陷。公告号为CN201479424U的中国实用新型专利公开了一种自适应照明节能智能网络终端控制器，其主控模块通过电力载波模块连接到网络服务器、地址模块配置主控模块的地址、路灯控制模块控制灯具，但该发明不适合教室照明的具体要求。
教室照明节能的具体要求是：一、照明灯具布设一般可分为5组：讲台灯，从外窗（自然采光好）到里窗（自然采光差）根据教室面积布设2至5列灯具，当列数多时，可将中间2列、最里的2列灯具作为一组同时控制，一般情况下根据自然光的强弱，讲台灯常明、里窗边的灯比外窗边的灯亮灯时间长；二、参考课表和自习安排表供电，有课或有自习安排的教室供电，这样便于集中管理，也避免少数几个学生占用教室造成开灯浪费电能；三、多媒体教室在教师用多媒体演示教学时，讲台灯灭，不进行多媒体教学演示时讲台灯亮，应支持由任课老师手动控制；四、整栋教学楼或一层楼采用拉闸断电或送电时、由于负载大，有较大的电流冲击，对电网的影响大，同时对电闸的使用寿命和灯具的使用寿命造成较大的危害，需要避免此电流冲击；五、对于集中控制式的教室节能控制系统还应支持在控制网络失效时，可通过红外无线遥控的方式辅助控制照明灯具，避免造成教学事故；六、能够对教室照明耗电量进行概算或计量。
现有的发明没有针对教室照明节能的所有具体要求设计节能控制器。本发明的目的是旨在按照所述教室照明节能的所有具体要求，提供一种结构简单、性能可靠、成本较低的教室照明节能集中控制系统。
发明内容
为了达到上述教室照明节能的具体要求，本发明采用的技术方案是：
本发明的教室照明节能集中控制系统包括硬件设备和软件程序。
其特征是：硬件设备包括安装在监控室的PC机、USB/RS-485转换器、RS-485/2.4G无线转换器，安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换器、教室照明节能控制器，在教学区分散较大的校园还包括2.4G无线中继器。同一种功能也可以通过不同的技术实现，也可以将所述的USB/RS-485转换器替换为RS-232/RS-485转换器，以利用PC机RS-232的接口；所述的RS-485/2.4G无线转换器可以替换为RS-485/GPRS无线转换器和所述的2.4G无线/RS-485转换器可以替换为GPRS无线/ RS-485转换器，以适应校区太宽、2.4G无线信号覆盖不了的问题；或将所述的RS-485/2.4G无线转换器可以替换为RS-485/433M无线转换器和所述的2.4G无线/RS-485转换器可以替换为433M无线/RS-485转换器，以适应校区障碍物多时的信号覆盖问题；也可将所述的RS-485接口总路线技术替换为CAN接口总线技术。
各设备之间的物理连接关系如下：所述的PC机通过USB线与所述的USB/RS-485转换器连接，所述的USB/RS-485转换器通过双绞线与所述的RS-485/2.4G无线转换器连接，组成一个近程有线连接网络；所述的RS-485/2.4G无线转换器通过无线与所述的2.4G无线中继器、所述的教学区的2.4G 无线/RS-485转换器连接，并组成一个无线网络；单个教学区所述的2.4G 无线/RS-485转换器与该教学区的N个所述的教室照明节能控制器通过双绞线依次连接，并组成RS-485总线网络。当所述的USB/RS-485转换器替换为RS-232/RS-485转换器后，PC机与RS-232/RS-485转换器通过3线制串口连接；当所述的RS-485/2.4G无线转换器替换为RS-485/GPRS无线转换器、所述的2.4G无线/RS-485转换器替换为GPRS无线/ RS-485转换器、所述的RS-485/2.4G无线转换器替换为RS-485/433M无线转换器、所述的2.4G无线/RS-485转换器替换为433M无线/RS-485转换器、所述的RS-485接口替换为CAN接口时、连线方式不变。
所述的教室照明节能控制器包括微控制器MCU、RS-485接口、照度检测模块、一体化红外接收模块、继电器组和２２０Ｖ转１２Ｖ、５Ｖ电源，还包括红外遥控器。
所述的软件程序支持从ＰＣ机，通过所述的近程有线连接网络、所述的无线网络和所述的RS-485总线网络，集中监测并控制所述的教室照明节能控制器的继电器组的开关状态；一旦所述的近程有线连接或所述的无线网络或所述的RS-485总线网络出现故障，不能从PC机集中监测并控制所述的教室照明节能控制器的继电器组的开关状态时，所述的软件程序还支持通过所述的红外遥控器对单个所述的教室照明节能控制器进行控制其继电器组的开关状态；安装在PC机上的软件记录各教室照明节能控制器的各个继电器的开关时间和其控制的负载的额定功率，通过通电时间乘以额定功率概算和计量电能消耗。
本发明的有益效果：
1、根据教务部门的排课安排表自动控制教室照明供电，根据教室内自然光强弱自动开关分组灯，达到自动控制和节能的效果；
2、根据多媒体教学教室照明的特殊要求和在控制网络故障时，可以通过红外遥控器控制讲台灯亮灭和教室照明供电，避免教学事故的发生； 
3、教室照明节能控制器具有记忆先前开灯/关灯状态的功能，减少网络通信数据量，避免通信延迟造成的不利影响；
4、本发明结构简单、工作性能可靠、可避免拉闸断电和合闸送电对灯具、电闸的电流冲击，延长其使用寿命；
5、可以概算和计量教室照明的耗电量。
附图说明
附图1 是本发明的拓扑图。
附图2 是本发明的教室照明节能控制器功能框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明的教室照明节能集中控制系统包括硬件设备和软件程序。
附图1展示了本发明实施例的硬件设备拓扑结构，主要分为两个区域：监控室和教学区，当教学区离监控室的距离超过2.4G无线模块无线信号所能覆盖的范围时，需增加2.4G无线中继器。
安装在监控室的PC机上运行监控程序，该监控程序以轮询的方式查询安装在教室内的教室照明节能控制器的继电器的开关状态，并将一定时间间隔里的每一间教室的基本信息、继电器开关状态信息和每个继电器的负载信息存入数据库，以便进行后台耗电功率计量（采用供电时长乘以额定功率进行概算），并报告各教室内教室照明节能控制器的工作状态是否离线，以便维修技术人员及时修理；监控程序以定时的方式检索课程教学安排表和自习安排表，根据这两个表的信息对相应教室内的教室照明节能控制器发出开关继电器的指令，如上午第2、3节课间、下午第6、7节课间、晚上第8、9节课间，在早上开始上课前30分钟根据上述两表对每间教室的教室照明节能控制器发出开灯指令，中午下课后30分钟、晚上下课后30分钟对所有教室照明节能控制器逐个发出关灯指令；开灯和关灯指令是一间教室、一间教室逐个发送的，可以避免大电流冲击电闸和照明设备。
PC机与USB/RS-485转换器通过USB总线连接，也可以将USB/RS-485转换器替换成RS-232/RS-485转换器，更换后PC机与RS-232/RS-485转换器通过3线或9线串口线连接。USB/RS-485转换器或RS-232/RS-485转换器的主要功能是实现信号电平的转换，选择合适的接口芯片设计电路，并从芯片厂商获取设备驱动程序，安装到PC机即可工作，这两种转换器目前市面上有现成的产品，如果自己设计，RS-485接口芯片可选择：MAX481E/ MAX483E/ MAX485E/MAX487E/MAX488E/MAX489E/MAX490E/MAX491E/MAX1487E等型号，RS-232接口芯片可选择MAX232CSE、MAX3232等型号。
USB/RS485转换器与RS-485/2.4G无线转换器通过双绞线连接，RS-485/2.4G无线转换器可以安装在房顶等位置比较高的地方，便于无线信号的发射、使其传输距离更远。RS-485/2.4G无线转换器需要嵌入控制程序，该嵌入的控制程序主要任务是接收从PC机传来的指令，将该指令重新打包，发送到2.4G无线中继器和安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换模块，和将从2.4G无线中继器或安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换模块发来的数据重新打包后转发给PC机。该转换器硬件设计需要选择合适的单片机、RS-485接口芯片和2.4G无线收发模块。单片机可选择STC11系列带准双串口的芯片，RS-485接口芯片可选择MAX485等芯片，2.4G无线收发模块可选择以NORDIC公司的NRF24L01芯片为基础而设计的模块。
监控室的RS-485/2.4G无线转换器通过无线方式与安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换器相连接，该两个设备功能是一样的，只是无线模块的地址不同，嵌入固件程序时需注意。
安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换器与教室照明节能控制器通过双绞线相连接，各教室内的教室照明节能控制器之间也通过双绞线连接，该RS-485总线网络能够联接的设备数量受RS-485芯片选型的限制，最多可联接128个设备（选择MAX487或MAX1487时），其它RS-485接口芯片只能连接最多32个设备。
附图2展示了教室照明节能控制器的内部模块结构，包括RS-485接口、照度检测模块、一体化红外接收模块、继电器组和２２０Ｖ转１２Ｖ、５Ｖ电源，还包括红外遥控器。该教室照明节能控制器需要嵌入固件程序，该固件程序的主要任务是检测一体化红外接收模块是否有有效的指令输入，有效的指令是开关讲台组灯和开关教室所有组灯；检测RS-485接口是否有有效的地址、指令输入，有效地址是本教室照明节能控制器的唯一地址，有效指令是开灯、关灯、状态查询，当接收到状态查询指令时，微控制器将继电器开关状态连同地址通过RS-485总线发回给PC机；微控制器MCU获取照度检测模块信息，根据此信息自动控制继电器组的开关状态，实现自动节能控制。教室照明节能控制器的硬件设计设备选型优选方案：MCU选择STC11系列准双串口芯片；RS-485接口芯片可选择MAX485；照度检测可选择光电二极管或光电三极管，而不采用光敏电阻；一体化红外接收模块选择工作频率为38KHz，这样便于配红外遥控器，从而节约成本；继电器选择工作电压为直流12V，触点为250V/15A的继电器，因为教室照明大都采用日光灯管，由于不是纯电阻性负载需要有较大的容量；２２０Ｖ转１２Ｖ、５Ｖ电源选择至少8W的220V/12V工频变压器，也可以选择开关变压器，但相对而言，采工频变压器元件数量少、稳定性好。
同一种功能也可以通过不同的技术实现，也可以将所述的USB/RS-485转换器替换为RS-232/RS-485转换器，以利用PC机RS-232的接口；所述的RS-485/2.4G无线转换器可以替换为RS-485/GPRS无线转换器和所述的2.4G无线/RS-485转换器可以替换为GPRS无线/ RS-485转换器，以适应校区太宽、2.4G无线信号覆盖不了的问题；或将所述的RS-485/2.4G无线转换器可以替换为RS-485/433M无线转换器和所述的2.4G无线/RS-485转换器可以替换为433M无线/RS-485转换器，以适应校区障碍物多时的信号覆盖问题；也可将所述的RS-485接口替换为CAN接口总线技术，对于专业技术人员来说，是容易实现的。

Claims (4)

1.一种教室照明节能集中控制系统包括硬件设备和软件程序，其特征在于：硬件设备包括安装在监控室的PC机、USB/RS-485转换器、RS-485/2.4G无线转换器，安装在教学区的2.4G无线/RS-485转换器、教室照明节能控制器，还包括2.4G无线中继器；所述的PC机通过USB线与所述的USB/RS-485转换器连接，所述的USB/RS-485转换器通过双绞线与所述的RS-485/2.4G无线转换器连接，组成一个近程有线连接网络；所述的RS-485/2.4G无线转换器通过无线与所述的2.4G无线中继器、所述的教学区的2.4G 无线/RS-485转换器连接，并组成一个无线网络；单个教学区所述的2.4G 无线/RS-485转换器与该教学区的N个所述的教室照明节能控制器通过双绞线依次连接，并组成RS-485总线网络。
2.按照权利要求１所述的教室照明节能集中控制系统，其特征在于：所述的教室照明节能控制器包括微控制器MCU、RS-485接口、照度检测模块、一体化红外接收模块、继电器组和２２０Ｖ转１２Ｖ、５Ｖ电源，还包括红外遥控器。
3.按照权利要求１所述的教室照明节能集中控制系统，其特征在于：所述的软件程序支持从ＰＣ机，通过所述的近程有线连接网络、所述的无线网络和所述的RS-485总线网络，集中监测并控制所述的教室照明节能控制器的继电器组的开关状态；一旦所述的近程有线连接或所述的无线网络或所述的RS-485总线网络出现故障，不能从PC机集中监测并控制所述的教室照明节能控制器的继电器组的开关状态时，所述的软件程序还支持通过所述的红外遥控器对单个所述的教室照明节能控制器进行控制其继电器组的开关状态；安装在PC机上的软件记录各教室照明节能控制器的各个继电器的开关时间和其控制的负载的额定功率，通过通电时间乘以额定功率概算和计量电能消耗。
4.按照权利要求1所述的教室照明节能集中控制系统，其特征在于：所述的USB/RS-485转换器可以替换为RS-232/RS-485转换器，所述的RS-485/2.4G无线转换器可以替换为RS-485/GPRS无线转换器或RS-485/433M无线转换器，所述的RS-485接口可以替换为CAN接口。
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