自習室節(jié)能控制系統(tǒng)

1、專業(yè)課程設計報告題目 自習室節(jié)能控制系統(tǒng)院系 自動化工程學院專業(yè) 電子信息科學與技術班級 12電子科學02姓名 學號 2015年9月目錄1、設計內容及要求12、系統(tǒng)總體設計42.1 自習室節(jié)能控制系統(tǒng)總體設計思想42.2自習室節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設計72.2.1 CC2530單片機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)的具體實現(xiàn)103.1光照度檢測子系統(tǒng)103.2人員檢測子系統(tǒng)113.3數(shù)據(jù)處理部分123.4燈開關控制子系統(tǒng)144、設計總結150設計總結1、設計內容及要求 隨著社會經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，人類社會的進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

2、求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾,能源短缺問題日益突出，成為一個國家經(jīng)濟發(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的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求。英國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。許多店鋪櫥窗的燈光在打烊后會全部關閉，有些店鋪還采用定時關燈裝置。在政府住宅樓和公寓樓內，樓道里的公用燈也大多采用自動斷電裝置。作為提高能源使用效率最重要的途徑之一，德國政府努力推動能源公司實施“供熱供電結合”，鼓勵能源

3、公司將發(fā)電的余熱盡可能用于供暖。2002年，德國頒布了促進“供熱供電結合”的法規(guī)，根據(jù)這一法規(guī)，政府向實施該措施的能源公司，尤其是小型能源公司提供補助，幫助他們置辦相應設備。中國城市每年用于公共照明的能源支出高達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，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，但同時也帶來了能耗的極大浪費。據(jù)統(tǒng)計2005年，我國全社會的總用電量約為24000億kWh，照明用電量約為3000億kWh，且每年以13%14%的速度遞增，預計到2010年，照明用電量將超過5000億kWh，新增照明用電2000億kWh。對

4、高等院校，據(jù)測算，其照明耗電占本單位所有耗電的40%左右，可見在保證照明質量的前提下，對教室燈光進行自動控制，其節(jié)能效益和經(jīng)濟效益都是相當可觀的。目前對燈光的智能控制，國內外已經(jīng)開始采用，但針對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地位?，F(xiàn)在伴隨各類大、中專院校的擴招，教學樓不斷擴建，教室用電負荷不斷加大，教室用電系統(tǒng)管理不善，造成學校資源的浪費與經(jīng)濟損失，這種做法顯然與當今節(jié)約能源的理念相違背。當今許多教室采用比較傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)：在主電源經(jīng)過一個配電箱分出多個支路，這些支路再分別向燈具供電，然后再通過串接在照明中的單雙極開關來通斷供電線路，所以該控制系統(tǒng)只能通過開關來控制燈

5、具，無法實現(xiàn)比較人性化、多功能化的系統(tǒng)管理。如在國內外有些燈光控制系統(tǒng)采用聲控形式但是其沒有經(jīng)過單片機等芯片的處理使用仍是將采集信號處理后傳遞給邏輯電路來進行燈光控制，假使外界條件惡劣如有噪聲等仍會造成電能的浪費，而且邏輯電路只能實現(xiàn)較少功能，綜合而言，整個系統(tǒng)雖然簡單但是功能不全，而且無法人性化控制?，F(xiàn)代自動化程度不斷提高，計算機技術不斷普及應用，教室燈光系統(tǒng)也應朝著更人性化智能化得方向發(fā)展。 本設計針對教室燈光的控制現(xiàn)狀及用電大量浪費的現(xiàn)象，分析了教室燈光智能控制的原理和實現(xiàn)方法，提出了基于單片機控制的教室燈光智能控制的設計思路。該系統(tǒng)以CC2530單片機作為控制裝置的智能部件，利用Zig

6、Bee機制工作，采用熱釋紅外傳感器檢測人體的存在，采用光敏三極管構成的電路檢測環(huán)境光的強度；根據(jù)教室合理開燈的條件，系統(tǒng)通過對人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別和智能判斷，完成對教室照明回路的智能控制，避免了教室用電的大量浪費。該系統(tǒng)具有體積小，控制方便，可靠性高，專用性強，性價比合理等優(yōu)點，可以滿足各類大、中專院校教室燈光控制的要求，很大程度的達到節(jié)能目的。2、系統(tǒng)總體設計2.1 自習室節(jié)能控制系統(tǒng)總體設計思想 自習室節(jié)能控制系統(tǒng)針對自習室的燈進行控制，系統(tǒng)判斷自習室內有沒有人和光照強度進行自動控制。所以首先需要檢測自習室內有沒有人，和自習室內的光照情況，根據(jù)檢測結果判斷是開燈還是關燈，然后對

7、等的開關進行控制，僅在自習室內有人且光照強度較差的情況下開燈，即可完成自動控制和節(jié)能。由光照度檢測部分、人員檢測部分、數(shù)據(jù)處理部分和燈開關控制部分組成。 光照度檢測部分周期性采集自習室內的光照強度，每次采集完畢后將采集結果發(fā)送給數(shù)據(jù)處理部分； 人員檢測部分也周期性判斷自習室內有沒有人員，每次判斷結束后將判斷結果發(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部分的檢測結果，如果自習室沒人，則直接向燈開關控制部分發(fā)送關燈命令，如果自習室有人，再接著判斷最后一次收到的光照度檢測結果，光照度較好就向燈開關控制部分發(fā)送關燈命令，光照度較差就向等開光

8、控制部分發(fā)送開燈命令。燈開關部分接收到數(shù)據(jù)處理部分的控制命令后根據(jù)指示開燈或者關燈。整個系統(tǒng)如此便可以智能、自動地實現(xiàn)燈的節(jié)能控制，如圖 2.1.1 所示。圖2.1 自習室節(jié)能控制系統(tǒng)框架系統(tǒng)利用ZigBee 進行網(wǎng)絡架構。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術,ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。ZigBee 網(wǎng)絡的工作方式是：首先由協(xié)調器節(jié)點建立通信網(wǎng)絡，建立成功后，其它通信節(jié)點加入該通信網(wǎng)絡。加入通信網(wǎng)絡成功之后，所有的節(jié)點都可以發(fā)

9、送數(shù)據(jù)到協(xié)調器節(jié)點，也可以接收到協(xié)調器節(jié)點發(fā)送過來的信息。即可以相互通信。 本設計中，Zigbee 系統(tǒng)由協(xié)調器節(jié)點、燈開關控制節(jié)點、光照度傳感器節(jié)點、熱釋紅外傳感器節(jié)點組成星形網(wǎng)絡拓撲結構，通過Zigbee 網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調器節(jié)點是整個Zigbee 系統(tǒng)的核心，主控芯片通過與協(xié)調器通信可以控制執(zhí)行節(jié)點，并且可以讀取其他傳感器節(jié)點的當前狀態(tài)。 如圖2.1.2所示。ZigBee協(xié)調器光照傳感器紅外傳感器燈開關控制圖2.1.2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構2.2自習室節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設計2.2.1 CC2530單片機 CC2530 是TI公司基于51內核研發(fā)的用于2.4-GHzIEEE 802.

10、15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 結合了RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，系統(tǒng)內可編程閃存，具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進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。在半導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成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、

11、硒化物、碲化物等半導體。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數(shù)目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強，光生電子空穴對就越多，阻值就愈低。當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-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。電路連接如圖2.2.2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 普通人體會發(fā)射10um左右的特定波長紅外線，用專門設計的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否，當人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電

12、效應將向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生控制信號。這種專門設計的探頭只對波長為10m左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內，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，于是輸出檢測信號。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接圖3、 系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 3.1光照度檢測子系統(tǒng) 光照度檢測子系統(tǒng)作為

13、自習室光照度信息監(jiān)測的信息采集發(fā)送部分，由光照度節(jié)點完成功能。光照度節(jié)點帶有光照度傳感器，以ADC的方式得到兩個字節(jié)的光照度數(shù)據(jù)。然后對采集數(shù)據(jù)和設定的光照度臨界值進行比較，判斷出光照度是明亮還是偏暗。然后向數(shù)據(jù)處理節(jié)點發(fā)送兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，第一個字節(jié)為“光照度節(jié)點標簽”，表明數(shù)據(jù)時由光照度節(jié)點發(fā)送的，第二個字節(jié)是初步處理的結果，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)點工作原理光照度節(jié)點工作流程如 圖 3.1.2所示：圖3.1.2 光照度節(jié)點工作流程圖3.2人員檢測子系統(tǒng)人員檢測節(jié)點帶有人體熱釋電模塊，該模塊工作時，當附近有人就從輸出端輸出高

14、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結果，當檢測到有人時，讀取的返回值為“1”，檢測結果是沒人時，讀取的結果為“0”。根據(jù)讀取的結果，向數(shù)據(jù)處理節(jié)點發(fā)送兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個字節(jié)為“人員檢測節(jié)點標簽”，表明數(shù)據(jù)是由人員檢測節(jié)點發(fā)送的，第二個字節(jié)和檢測結果有關，是“0”表示檢測結果是沒人，是“1”表示檢測結果是有人，如圖 3.2.1所示。圖3.2.1人員檢測節(jié)點工作原理人員檢測節(jié)點流程如 圖 3.2.2所示：圖3.2.2 人員檢測節(jié)點流程圖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）接收光照度節(jié)點和人員檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過綜合判斷光照度信息和人員檢測信息

15、得出應該開燈或者關燈的控制命令，然后將控制命令發(fā)送到燈開掛控制節(jié)點。數(shù)據(jù)處理節(jié)點由ZigBee網(wǎng)路中的協(xié)調器完成，光照度節(jié)點、人員檢測節(jié)點和燈開關控制節(jié)點都會向數(shù)據(jù)處理節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理節(jié)點接收到數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)判斷是哪個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，第二個節(jié)點是該節(jié)點的信息。光照度節(jié)點和人員檢測節(jié)點的信息內容和意義已經(jīng)在前面敘述過。如果收到的信息表明自習室內有人且光照度較差，就向燈開關控制節(jié)點發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)“1”，表示“開燈”，否則發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)“0”，表示關燈。如果第一個字節(jié)是燈開關控制節(jié)點標簽，則第二個自己表示當前燈開關的控制狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理節(jié)點會將其地址保存下來，留作向燈開關控制節(jié)點發(fā)

16、送數(shù)據(jù)時用，如圖3.3.1所示。圖3.3.1 數(shù)據(jù)處理節(jié)點工作原理數(shù)據(jù)處理節(jié)點流程如圖 3.3.2 所示：圖3.3.2數(shù)據(jù)處理節(jié)點流程圖3.4燈開關控制子系統(tǒng) 燈開關控制子系統(tǒng)上帶有4 個可控亮滅的LED，并周期性的向數(shù)據(jù)處理節(jié)點發(fā)送兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個字節(jié)是“燈開關控制節(jié)點標簽”，表明數(shù)據(jù)是由燈開關控制節(jié)點發(fā)送的，第二個字節(jié)是當前的控制狀態(tài)。整個系統(tǒng)中，只有數(shù)據(jù)處理節(jié)點會向燈開關控制節(jié)點發(fā)送一個字節(jié)的控制命令，所以燈開關控制節(jié)點收到數(shù)據(jù)后直接調用狀態(tài)控制函數(shù)，以接收到的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，調整控制狀態(tài)，即調節(jié)燈的開關狀態(tài)，接收到“1”就會開燈，接收到“0”就會關燈，如圖 3.4.1 所示。圖3.4.1 燈開關控制節(jié)點工作原理燈開關控制節(jié)點流程如 圖 3.4.2 所示：圖3.4.2 燈開關控制節(jié)點流程圖4、設計總結 本課題對適合應用于教室燈光控制系統(tǒng)的控制部分進行了研究。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用;同時還加入了時間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學校的作息時間。本控制系統(tǒng)的