（桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林541004）
针对高校传授教化楼教室利用及其内用电设备利用存在不科学的管理而造成电能等资源严重摧残浪费蹂躏的问题，设计了一种远程的传授教化楼电能节能掌握系统。系统既可以由用户通过手机或PC实现对传授教化楼中用电设备的掌握与管理，又可以根据学校的通、断电安排自动掌握教室内的用电设备供电。该系统已运用于某高校的传授教化楼中，运行结果表明，该设计具有构造大略、易安装、性能可靠、方便实用等浩瀚优点，达到了节约能源和节约人力、物力的目的。
电能节能掌握；STM32；STM8；自动掌握与管理；单火线供电技能
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. 传授教化楼电能节能掌握系统的设计[J].电子技能运用，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 弁言
目前，我国绝大部分高校传授教化楼教室内的用电设备（照明灯、风扇、空调等）利用处于一种由进入教室内的职员人工掌握的办法。由于缺少对教室利用及其内用电设备利用进行科学合理的掌握与管理，因而教室内电气设备有效利用率不高，造成资源的严重摧残浪费蹂躏[1]。详细表现为：学生节能意识不高，造成巨大的电能摧残浪费蹂躏，如教室内温度适宜却开空调，光芒充足却打开照明灯，学生离开教室忘却关空调、风扇、照明灯的征象[2]；自习教室开放管理不当造成的电能摧残浪费蹂躏，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]。为理解决上述存在的问题，设计了一种远程的传授教化楼电能节能掌握系统，系统具有远程掌握和管理的功能，既可以通过手机或PC实现对传授教化楼中用电设备进行掌握与管理，又可以根据学校的通、断电安排等哀求自动掌握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，办理学生节能意识不高、自习教室开放管理不当等造成巨大的电能摧残浪费蹂躏的问题。该系统具有构造大略、性能可靠、本钱较低和易安装等浩瀚优点。
1 系统的组成和事理
传授教化楼电能节能掌握系统由教室节点单元、传授教化楼电井掌握单元、传授教化楼主控中央单元和电能节能掌握中央单元组成，其系统组成框图如图1所示。
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掌握处，传授教化楼电井掌握单元安装于每栋传授教化楼的配电电井，传授教化楼主掌握中央单元安装于每栋传授教化楼的配电房，电能节能掌握中央单元安顿在全体校园配电管理中央。手机通过WiFi或GPRS与电能节能掌握中央进行通信，PC通过WiFi或USB与电能节能掌握中央进行通信。电能节能掌握中央单元、传授教化楼主控中央单元、传授教化楼电井掌握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，根据须要通过手机或PC输入指令和数据，通过选定的通信办法(手机选择WiFi或GPRS，PC选择WiFi或USB)对电能节能掌握中央单元、传授教化楼主控中央单元、传授教化楼电井掌握单元和教室节点单元进行掌握与管理。
2 系统硬件电路设计
系统的硬件电路设计紧张包括教室节点单元、传授教化楼电井掌握单元、传授教化楼主控中央单元和电能节能掌握中央单元的电路设计。
2.1 教室节点单元的硬件设计
为了方便施工职员安装与改造，教室节点单元采取单火线供电技能进行设计，它紧张由单火线接线端、单火线开关电源模块、线性稳压模块、微掌握器、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。
市电220 V从单火线接线真个输入端接入教室节点单元，然后分为两路：一起用于取电，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；一起通过教室节点单元掌握的多路继电器，给教室的用电设备供应电源。
微掌握器选用ST公司的STM32F103C8T6，该系列微掌握器价格便宜，资源丰富，是目前盛行的微处理器之一。
继电器采取松乐继电器公司的 SRD-12VDC，线圈事情电压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大略、输入电压范围宽、空载电流小、功耗低和输出直流电压稳定、纹波系数小等浩瀚优点。
线性稳压模块采取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，均匀值为3 μA，输出最大电流为100 mA。
无线通信模块采取以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，还可以根据须要获取教室内各个传感器节点的数据，并进行处理和掌握。
触摸开关采取电容触摸开关，不但可以延长按键的利用寿命，而且比目前所利用继电器自锁办法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取以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芯片掌握传感器获取相应的数据，然后通过无线通信办法将教室内的光照等数据回传给教室节点单元的STM32微掌握器，同时根据获取到的数据进行掌握决策。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取以TI公司生产的CC2530F256芯片为核心组成的ZigBee模块进行组网[4]，通过无线办法将教室内的人数等数据传送给教室节点单元的STM32微掌握器，同时根据获取到的数据进行掌握决策，对教室的照明进行分区供电。
2.2 传授教化楼电井掌握单元的硬件设计
传授教化楼电井掌握单元是将传授教化楼主掌握中央单元的掌握旗子暗记进行转换并履行的装置，实现该楼栋某个区域或该楼栋某个电井的断电和供电。它由微掌握器模块、通信模块、固态继电器和互换打仗器组成，其硬件设计框图如图3所示。
传授教化楼电井掌握单元的通信模块分为有线通信模块和无线通信模块，个中无线通信模块与教室节点单元的无线通信模块通信，有线通信模块与传授教化楼主掌握中央单元的通信模块通信。
微掌握器选用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，本钱低，抗滋扰能力强[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以及直流控互换等浩瀚优点。
根据给教室供电所须要的电流大小来选择电流得当的德力西公司生产的互换打仗器。
微掌握器通过通信模块吸收传授教化楼主控中央和教室节点单元的指令，通过掌握固态继电器的吸合与断开来掌握互换打仗器的吸合与断开，从而达到对教室供电的掌握。
2.3 传授教化楼主控中央单元的硬件设计
传授教化楼主控中央单元用于掌握该栋楼的集中通电与断电韶光。它由通信模块、高精度时钟模块、键盘与显示模块和微掌握器组成，其硬件设计框图如图4所示。
微掌握器选用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、本钱低、性能高、抗滋扰能力强等特点[6]。
通信模块由无线通信模块和有线通信模块组成。无线通信模块采取TI公司生产的CC2530F256芯片来实现，它与电能节能掌握中央的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。有线通信模块采取Sipex公司生产的SP485EE芯片来实现，它与传授教化楼电井掌握单元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，因此其具有低本钱和高精度的实时时钟等浩瀚优点[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。该屏幕利用的是USART接口，方便与微掌握器相连，具有良好的HMI[9]，可以用于设置或显示当前传授教化楼主控中央的韶光、楼栋的通电与断电状态，或者临时手动掌握楼栋的通电与断电。
2.4 电能节能掌握中央单元的硬件设计
电能节能掌握中央单元用于掌握学校每栋传授教化楼的集中通电与断电韶光。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掌握器组成，其硬件设计框图如图5所示。
电能节能掌握中央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韶光数据。用户既可以根据须要通过手机或PC在任意时候实现对某栋或某几栋传授教化楼的通电与断电，又可以通过PC或手机进行设置或修正某栋传授教化楼的通电与断电掌握韶光。一经设置完成，电能节能掌握中央就可以分开PC或手机单独事情。
3 系统软件设计
系统的软件设计紧张由教室节点单元软件、传授教化楼电井掌握单元软件、传授教化楼主控中央单元软件、电能节能掌握中央单元软件组成。
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措辞编写的各个模块程序组成，紧张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掌握继电器的程序等，其主程序流程图如图6所示。
3.2 传授教化楼电井掌握单元软件设计
传授教化楼电井掌握单元主程序流程图如图7所示。传授教化楼电井掌握单元的硬件电路一贯处于通电事情状态（除非停电或人为断电），紧张用来吸收传授教化楼主控中央单元的指令，并根据指令掌握指定区域的互换打仗器，进而掌握是否给该区域教室供电。
3.3 传授教化楼主控中央单元软件设计
传授教化楼主控中央单元的软件设计紧张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。
3.4 电能节能掌握中央单元软件设计
电能节能掌握中央单元的软件设计紧张包括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。电能节能掌握中央单元既可以通过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或手机设置每栋传授教化楼的每个区域电井的通电和断电掌握哀求，并通过传授教化楼主控中央单元将各传授教化楼的掌握状态数据传送至PC或手机端显示，既可以方便管理员实时节制传授教化楼供电状态，又可以供学生查询自习教室的开放情形。
4 系统功能测试
传授教化楼电能节能掌握系统设计完毕后，将其安装在广西某高校的传授教化楼中，学校管理者根据学校的通、断电安排等哀求，通过手机或PC设置各栋传授教化楼分区的通电和断电韶光、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。利用调光灯仿照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。
该掌握方法符合中华公民共和国国家标准《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样平常照度标准值的规定[10]。对安装在广西某高校的传授教化楼中的传授教化楼电能节能掌握系统的单个掌握单元进行了功耗测试，测试结果如表2所示。
安装该节能掌握系统的广西某高校设置有1个电能节能掌握中央单元、5个传授教化楼主控中央单元，每栋传授教化楼有12个传授教化楼电井掌握单元，每个电井掌握20个教室节点单元。根据表2的测试结果和学校传授教化楼利用该节能掌握系统的照明总电表用电量进行比拟可知：未利用传授教化楼电能节能掌握系统之前，每天晚上22：00后需传授教化楼管理职员手动关闭每间教室的照明灯，该学校传授教化楼用电记录中纯照明用电均匀每月为564 480 kWh；利用传授教化楼电能节能掌握系统之后，学校传授教化楼照明用电为均匀每月395 136 kWh，均匀每月节省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芯片作为微掌握器，将传感器检测技能、ZigBee技能、单火线技能和通信技能等有机地结合在一起，设计了一种远程的传授教化楼电能节能掌握系统，并详细阐述了系统的事情事理和软硬件设计，末了将其运用于广西某高校的传授教化楼中进行试验。运行结果表明，系统不但可以通过手机或PC远程实现对传授教化楼中各教室、办公室的用电设备按照学校的通、断电安排进行自动掌握与管理，而且具有构造大略、易安装、性能可靠等浩瀚优点，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。
参考文献
[1] 刘龙，李钟慎．传授教化楼智能化节能掌握系统设计[J]．电子丈量与仪器学报，2015，29(12)：1876-1882．
[2] 李玉环，秦文华，周子力，等．基于物联网技能的传授教化楼电器智能监控系统设计[J]．打算机丈量与掌握，2016，24(2)：122-125，140．
[3] 刘智旸，陈华美．教室照明节能掌握系统的智能化和可视化设计[J]．智能打算机与运用，2014，4(2)：102-105．
[4] 易艺，颜学龙，郝建卫．基于SOPC植物种苗繁育视频监测系统的研究[J]．电子技能运用，2016，42(3)：87-89，94．
[5] 王东波．基于DMX512协议的照明掌握系统设计[D]．杭州：杭州电子科技大学，2013．
[6] 贾淑蒙．基于Android系统的车载商业信息发布平台的研究与开拓[D]．广东：华南理工大学，2016．
[7] 张志，李琮琮，王平欣，等．智能电能表RS485接口设计方案综述[J]．电测与仪表，2016，53(5)：124-128．
[8] 陈征，刘开华．基于MSP430的多用便携式丈量仪的设计[J]．电子丈量技能，2012，35(5)：36-39．
[9] 公茂法，刘建平，徐新源，等．基于串口屏的井下多回路电网监测仪的设计[J]．煤矿机器，2013，34(1)：262-264．
[10] 建筑照明设计标准：GB 50034-2013[S]．北京：中国建筑工业出版社，2014．
