CN108682057A - 教室电力智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教室电力智能控制系统，包括发电机构、信号发射器、信号接收器、控制器、人数显示屏、云服务器、查询终端和教室排位分区和教室电力分区。发电机构用于收集人坐下时的重力势能和人离开时的弹性势能，给信号发射器提供电能；信号发射器与发电机构电力输出接口相连，发射每个座位的信号；信号接收器将每个座位的信号转化为数字信息传递给中央控制器；控制器与信号接收器相连，控制电灯的开闭；人数显示屏，与控制器相连，显示人员数据；云服务器，与控制器和网络相连；教室电力分区，单独控制相应分区电力通断。与现有技术相比，本发明实现了人员的精确定位，对教室电力进行分区，实现了电力节省。

Description

教室电力智能控制系统

技术领域

本发明涉及智能控制系统，尤其涉及教室电力智能控制系统。

背景技术

目前高校用电成为一笔巨大的耗资，平均高校日均用电量达6万余度。而教学区用电量有是高校用电量的重要组成部分，其中很大部分又是由于人为因素和资源配置不合理所造成，因此如何有效减少电力浪费，达到对教室电力的智能控制以节省电能浪费具有重要意义。同时高校学生在使用教室的时候具有时间、空间上的分布不规律性,导致教室利用率不高,教室资源常常不能满足自习的学生，而提供自习教室人数查询可解决此缓解此问题。

现有的教室电力控制系统和人员查询系统，尤其是控制系统大多采用红外或其他传感器等对人员进行定位，不仅定位精度不高，易造成误判，同时大量传感器又造成新的电能损耗；而对教室人员数目信息的查询在现有技术中也通常采用计数传感器，普通计数器其精度较低，高精度价格十分昂贵。因此，亟需一种可精确查询人数的教室智能控制系统。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可精确查询人数的教室电力智能控制系统，以由解决学生教室电力资源配置不合理造成的电力浪费及人员自习教室查询困难等问题。

技术方案：教室电力智能控制系统，包括：

发电机构，用于收集人坐下时的重力势能和人离开时的弹性势能，给信号发射器提供电能；包括固定在座椅转轴上的连接件、直流发电机、与发电机配合的齿轮、与齿轮啮合的内齿轮、一端与内齿轮接触的弹簧，以及与弹簧另一端接触的端部固定螺母，连接件与内齿轮连接，并带动内齿轮和齿轮传动以使发电机产生正向电压，弹簧两端在端部固定螺母和内齿轮作用下产生形变后，带动发电机反向转动，产生反向电流；

信号发射器，安装于座椅下方，与发电机构电力输出接口相连接，发射每个座位的信号，每个座位的信号发射器所发射的信号频率不同；

信号接收器，接收各座位信号发射器信息，将每个座位的信号转化为数字信息传递给中央控制器；

中央控制器，与信号接收器相连，包括照明控制模块和电灯延时模块，照明控制模块通过处理信号接收器传输的座位信息，结合电灯延时模块分析在座人数，控制电灯的开闭；

人数显示屏，与控制器相连，显示人员数据；

云服务器，与控制器和网络相连，收集各教室信息并共享至网络端；

查询终端，用于查询教室座位信息；

教室排位分区，将教室座位作为每个人员在教室的位置信息的定位条件；

每个座位有人坐下时发射器发射此座位对应频率的信号给接收器，接收器将信息解码存储座位信息；

教室电力分区，将教室电力分为同座位对应的矩阵，每一个矩阵块的电力由一单独的继电器控制，由控制器结合各相应分区的存储的座位信息分析人员情况，单独控制相应分区电力通断。

发电机构外壳部分固定于座位，连接件部分固定于座位转动轴。

中央控制器还包括风扇空调控制模块。信号接收器分为接收单元和译码单元。

查询终端为用户手机，用户通过微信小程序访问服务器数据库查询座位信息。

发电机构的发电方式还有压电陶瓷、音圈电机发电方式。

工作原理：无线传感网络的发展为解决教室管理的种种问题提出了很好的方案,本发明通过无线射频技术建立一个智能教室管理系统，并有效利用学生坐座位时的重力势能来达到自动触发射频发射电路，通过信号接收装置将射频信息解码转化为数字信息，以此来统计教室人数及人员分布情况；同时将教室电力系统模块化进行分区，以人员分布的这些数据为判断基础,来程序控制教室不同分区的电力系统的通断，当亮度较暗的时间段且座位被坐下时，安装在座位上的发电机构通过人体重力产生电压，提供给座位上安装的射频电路电能，使射频电路发射这一座位的特定频率射频信号，发射信号被接收器接收，根据每个座位号特有的频率号精确判定座位位置，并控制位置附近相应的电力单元的通断，实现小片有人区域日光灯开关，并结合空调中的温度传感器模块信息来控制空调开关以实现空调温度的自动控制,达到对电力资源经济运行,最大限度地充分利用和节约电力资源。并根据对发射信号的统计，应用分析得出的学生数据信息,以APP、网页或微信小程序的方式为学生提供了自习教室查询平台，解决找自习教室难得问题，实现教室资源的合理利用。此种方式人员统计的数据十分精确，同时在教室讲台附近设置一个LCD显示屏实时显示教室人数，方便老师快速确定教室人员数目，并能根据数据合理选择是否进行点名，督促学生上课，提高出勤率，解决传统的点名方法不够智能化和耗时长的问题。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:(1)通过收集人员坐下座椅时所产生的能量，用于给传感器供电，省去现有技术的复杂布线供电系统，也减少电能的不必要浪费。(2)通过座椅定位，实现了人员的精确定位，对教室电力进行分区，实现了最大程度上的电力节省。(3)通过LCD实时显示教室人数，减少点名次数，提高课堂效率与出勤率。(4)通过网络将座位信息上传至服务器供师生查询，方便寻找自习教室，合理分配教室资源。

附图说明

图1为本发明系统总体框图；

图2为发电机构剖视图；

图3为发电机构截面图；

图4为发电机构安装位置示意图；

图5为图2的局部示意图；

图6为发电机构安装俯视图；

图7为延时程序流程图；

图8为位置信息传递路径图。

具体实施方式

如图1所示，教室电力智能控制系统，包括发电机构、信号发射器、信号接收器、中央控制器、LCD人数显示屏、云服务器、手机查询终端、教室排位分区和教室各电力分区；其中发电机构中的直流发电机通过电线将电压信号传送至信号发射电路，信号发射电路通过整流稳压电路将对信号电压整流稳压，然后通过集成电路产生调制波，对数据进行脉冲编码，通过无线电信号将脉冲信息传输至信号接收器；信号接收器分为接收单元和译码单元，接收单元接收每个座位信号发射器的脉冲信息，然后译码单元通过解码算法对信息进行解码。解码后通过串口将信息传输至中央控制器，中央控制器对传输的信息进行拾取，通过程序执行电力控制功能。中央控制器通过三极管后控制继电器，进而通过继电器控制教室各电力分区。中央控制器用过串口与LCD显示器实现数据传输与现实，在教室讲桌附近某区域实时显示教室人数。并且中央控制器通过网络模块esp8266，与各教室的校园网连接，将教室座位信息通过路由器转发至云服务器。云服务器开启TCP服务，建立TCP连接，即可进行数据传输。用户手机终端通过微信小程序访问服务器数据进行座位查询。

信号发射器与发电机构中的微型直流发电机相连，发电机构通过卡扣安装于座椅两侧横梁下部。在微型发电机输出正向电压时，电路做出反应，发送代表人员坐下的信号，当微型发电机电机输出为反向电压，电路做出反应，发送代表人员离开的信号。不同座位的发射器发射的信号频率不同。

每个座位上的信号发射器所发射信号都有其特定的射频识别信号，并于存储与控制器中的射频数据匹配，判断是哪个座位的信息发生变化，精确定位教室人员分布情况。

信号接收器与中央控制器相连，用于接收教室每个座位信号发射器发射的不同频率的信号，同时通过对频率的识别，通过特定的编码解码算法，将信号信息转化为数字信息传递给中央控制器，实现信号与座位的匹配。

教室排位分区，将教室座位作为每个人员在教室的位置信息的定位条件，中央控制器将每一座位矩阵块区域的座位信息作为一单独信息，为这一区域的电力控制提供的判断依据，实现教室座位程序上的虚拟分区，例如，将某一矩阵块区域的座位信息作为一整体，若这一矩阵块有一个以上座位有人，则整个矩阵块判断为有人，让中央控制器打开这一区域块电力。

中央控制器，包括照明控制模块和电灯延时模块。照明控制模块通过对信号接收器传输的座位信息进行处理，分析每一座位分区的在座人数，若某一分区有人，则打开相应分区电灯，若无人，则再检测此分区延时开关状态是否改变，综合判断各分区人数与此时时间，以控制电灯的打开与关闭。电灯延时模块包括手动控制开关与处理器，其中手动控制模块可沿用现有教室开关；若系统仅由时间信息判断可能出现误判，如白天光线不好或晚上太暗不便于找座位时，人员可通过手动延时模块手动控制，打开电灯，延时一段时间，若有人坐下则一直打开；人离开后再延时小一段时间关闭，方便人员离开时的照明。

照明控制模块由单片机和继电器组成，单片机部分I/O接口与信号接收器相连，部分I/O接口与三极管相连用于驱动继电器，部分I/O接口用于接收延时开关的信号。当时间为晚上时，单片机打开所有I/O接口进行信号输入检测与信号输出控制，本实施例设定为晚上6点到早上9点，除此时间外电灯默认单片机默认控制所有电灯处于关闭状态。当处于此时段时，与信号接收器相连的I/O接口将信号接收器译码后的位置信息输入至单片机，单片机通过以写入封装的程序对每个区域人数进行识别，分析每一座位分区的在座人数，若某一分区有人，通过与三级管相连的I/O接口输出信号，用三极管驱动电磁继电器，控制相应电灯的打开。若无人，则再判断与延时开关相连的I/O信号，判断此分区延时开关状态是否改变，若改变则驱动继电器打开相应区域电灯，并同时打开单片机的定时器，本实施例为1分钟，1分钟后再检测相应区域座位是否有人坐下，若有人坐下，则关闭定时器，并使电灯一直处于打开状态，直至此区域座位无人时，再打开单片机定时器，定时1分钟，然后关闭此区域电灯。若与延时开关相连的I/O信号未改变，则继续让相应分区电灯处于关闭状态。

中央控制器内还安装有风扇空调控制模块，风扇空调控制模块通过空调自带的感温模块信息反馈与接收器座位信息综合，控制教室风扇与空调的自动打开与关闭。

LCD人数显示屏，安装于教室讲桌附近，与中央控制器相连，可将处理器的人员数目数据实时显示，给老师点名提供依据，提高课堂效率和出勤率。

云服务器与各教室中央控制系统及网络相连，收集各教室信息并共享至网络端，实现教室人员实时查询，合理利用教室资源。

查询终端及各用户的PC端或手机，用户通过手机或PC端查询教室座位信息。

教室各电力分区，将各电力分区划分为类似宫格区域，通过控制系统分析人员情况，来控制相应分区电力通断情况。

如图2、图3所示，发电机构部分包括金属连接件1、机构外壳2、直流发电机4、直流发电机的圆形齿轮3、T型内齿轮5、弧形弹簧6和端盖固定螺母7。金属连接件1通过螺栓固定在座椅转轴上，并通过榫卯结构与T型内齿轮5连接，T型内齿轮5与微型直流发电机配合的圆形齿轮3啮合。机构外壳2固定于座椅的固定支架上。直流发电机4固定在外壳2上，直流发电机的圆形齿轮3与直流发电机4相连接。弧形弹簧6，受压于T型内齿轮5与端盖固定螺母7之间。端盖固定螺母7，用于限定弹簧运动，以方便弹簧更换。人坐下时带动桌椅的轴转动，使金属连接件1带动T型内齿轮5转动，通过齿轮传动使微型直流发电机4产生正向电压。人离开后，弧形弹簧6两端分别与端部固定螺母7和T型内齿轮5产生应力，形变后会产生一个使之复原的力，并带动微型发电机反向转动，产生反向电流。

如图4、图5所示，安装时，采用螺栓将装置固定于座椅旁，圆形内齿轮5与金属连接件1固定连接，外壳2固定于椅子上，当运动时，金属连接件1与外壳2产生相对运动，使弹簧6压缩，部分能量储存于弹簧6内，带动发电机运动，产生电能。8为发射器电路，固定在外壳2上，与发动机3相连，发射器电路8采用PCB刻制好电路后与发电机构安装于一起，并与发电机构微型直流发电机电动机电路连接，为信号发射装置供电。当人坐下时，产生一个较长时间的正方向电信号和能量，发电机构产生正向电压，给传感器供电发射信号，信号发射装置发射特定射频信号表示此座位以有人坐下，控制器予以接收存储。当人在座位上产生小动作引起小电量产生时，传感器判断发电时间太短，不发射信号，防止产生误判。当人离开时，弹簧6弹性势能释放，推动金属连接件1运动，并使直流发电机产生一个反方向较长时间的电流。发电机构产生反向电流，传感器检测电流，信号发射装置发射特定射频信号表示此座位以有人坐下，控制器予以接收存储。

如图6所示，齿轮通过螺栓固定于椅子的旋转轴，当椅子坐下去时，随轴转动而带动直流发电机发电。

如图7所示，为中央控制系统的延时模块流程图，手动延时开关安装于教室门口，本实施例中直接应用教室现有的开关，当人员发现教室光线过暗时，进门按下开关，开关与控制器相连，控制器检测到开光状态发生变化，打开相对应的灯并延时等待，同时检测座位信息，若开关对应座位有人员坐下，则延时关闭，灯处于一直打开状态，若无人员坐下，则将对应开关的灯关闭。人员离开时，座位状态发生改变，控制器调用延时程序，将灯延时一段时间后关闭，方便人员离开。此实施例中延时时间为1分钟。

如图8所示，中央控制器处理接收器传输过来的信息，结合手动延时模块、空调自带感温模块信息综合分析判断，通过继电器控制教室各电力分区。通过网络模块esp8266芯片实现中央控制器与校园网的互联，将中央控制器中存储的教室座位信息通过校园网传输至网络，供师生查询。

本发明所指的发电机构并不仅限于所述实施例，还包括其他安装于座位上的其他发电方式的发电机构,例如压电陶瓷，音圈电机等发电方式。

Claims (6)

1.一种教室电力智能控制系统，其特征在于：包括：

发电机构，用于收集人坐下时的重力势能和人离开时的弹性势能，给信号发射器提供电能；包括固定在座椅转轴上的连接件(1)、直流发电机(4)、与发电机(4)配合的齿轮(3)、与齿轮(3)啮合的内齿轮(5)、一端与内齿轮(5)接触的弹簧(6)，以及与弹簧(6)另一端接触的端部固定螺母(7)，所述连接件(1)与内齿轮(5)连接，并带动内齿轮(5)和齿轮(3)传动以使发电机产生正向电压，弹簧(6)两端在端部固定螺母(7)和内齿轮(5)作用下产生形变后，带动发电机(4)反向转动，产生反向电流；

信号发射器，安装于座椅下方，与发电机构电力输出接口相连接，发射每个座位的信号，每个座位的信号发射器所发射的信号频率不同；

信号接收器，接收各座位信号发射器信息，将每个座位的信号转化为数字信息传递给中央控制器；

中央控制器，与信号接收器相连，包括照明控制模块和电灯延时模块，所述照明控制模块通过处理信号接收器传输的座位信息，结合电灯延时模块分析在座人数，控制电灯的开闭；

人数显示屏，与控制器相连，显示人员数据；

云服务器，与控制器和网络相连，收集各教室信息并共享至网络端；

查询终端，用于查询教室座位信息；

教室排位分区，将教室座位作为每个人员在教室的位置信息的定位条件；

教室电力分区，由控制器结合各相应分区的座位信息分析人员情况，单独控制相应分区电力通断。

2.根据权利要求1所述的教室电力智能控制系统，其特征在于：所述发电机构部分固定于座位，连接件部分固定于座位转动轴。

3.根据权利要求1所述的教室电力智能控制系统，其特征在于：所述中央控制器还包括风扇空调控制模块。

4.根据权利要求1所述的教室电力智能控制系统，其特征在于：所述信号接收器分为接收单元和译码单元。

5.根据权利要求1所述的教室电力智能控制系统，其特征在于：所述查询终端为用户手机，用户通过微信小程序访问服务器数据库查询座位信息。

6.根据权利要求1所述的教室电力智能控制系统，其特征在于：所述发电机构的发电方式还有压电陶瓷、音圈电机发电方式。