【正文】 整個(gè)樓層內(nèi)日光燈負(fù) 荷共計(jì)約為 54KW，每天按長(zhǎng)明燈 3 小時(shí)計(jì)算， 1 天就浪費(fèi) 162KW，按照每度電 元 /千瓦計(jì)算，共計(jì) 81 元，設(shè)該校共有教學(xué)樓 6 座，則共計(jì) 486 元，一年學(xué)生在校時(shí)間按 270 天機(jī)算，則一年將浪費(fèi) 131220 元，而且上面所說還不包含教室電線的損傷，日光燈的使用壽命等等，因此對(duì)高校教室能源的智能控制技術(shù)的要求迫在眉睫，其所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀。 以上是對(duì)一所大學(xué)的簡(jiǎn)單分析，目前全 國(guó)各地高校共有 1684 所，則每年全國(guó)高校浪費(fèi)電費(fèi)共計(jì)約 萬元，電能浪費(fèi)量如此巨大！我國(guó)是一個(gè)能源短缺大國(guó)，因此對(duì)于高校電能節(jié)約的行動(dòng)也是非常急迫，爭(zhēng)取做到白天不開燈或少開燈、人走燈滅、杜絕長(zhǎng)明燈等等，我國(guó)高校對(duì)電能的浪費(fèi)不僅僅表現(xiàn)在對(duì)電能節(jié)約意識(shí)上的薄弱，更重要的一個(gè)原因是由于節(jié)電設(shè)備的落后，所以對(duì)于多功能教室控制系統(tǒng)的提升勢(shì)在必行。 我們黨在 2020年 10月 11日召開的第十五屆中央委員會(huì)第五次會(huì)議通過的《中國(guó)中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃的建議》中明確指出：“加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 是今后五年至十年一項(xiàng)十分重要的任務(wù)”。其中提到的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)就包括了能源建設(shè)。《建議》還強(qiáng)調(diào)了能源建設(shè)要發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高利用效率，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。面臨如此緊迫的能源問題，我們應(yīng)該把著眼點(diǎn)放在“高效”利用“清潔”能源上。由此可見，節(jié)能照明用電，對(duì)節(jié)能具有重要的意義。 智能照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)管理方式相比，具有成本低、維護(hù)方便、功能豐富、優(yōu)越的可擴(kuò)展性、便于系統(tǒng)集成等特點(diǎn)，其具體表現(xiàn)為： 良好的節(jié)能效果、延長(zhǎng)日光燈壽命 智能控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是節(jié)約能源， 傳統(tǒng)的照明模式，主要是以人力來管理的，很容易造成白天關(guān)燈，晚上長(zhǎng)明的現(xiàn)象，不同的是智能照明控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的情況采用不同的方案來選擇照明的時(shí)間、日光燈的數(shù)量，可以將不必要的照明關(guān)掉，在需要燈光時(shí)自動(dòng)開啟，從而達(dá)到良好的節(jié)能效果。系統(tǒng)還會(huì)根 2 據(jù)不同的光亮程度來自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的亮度，在保證必要的照明的同時(shí)也有效的減少了日光燈的工作時(shí)間，延長(zhǎng)了日光燈的壽命。 改善學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率 良好的學(xué)習(xí)環(huán)境是提高學(xué)習(xí)效率的必要條件，不適宜的光照強(qiáng)度對(duì)學(xué)習(xí)效率的影響很大，并且還會(huì)對(duì)我們的視力造成很不好的影響，因此 合理的選擇光源、燈具、優(yōu)越的智能控制系統(tǒng)都能提高我們的學(xué)習(xí)環(huán)境。智能照明控制系統(tǒng)擁有兩種控制方法： 自動(dòng)開關(guān)日光燈， 自動(dòng)調(diào)光。并且可以有效的控制和調(diào)節(jié)各種場(chǎng)合的光照強(qiáng)弱，還可以為不同的人群、不同的需求提供滿意的服務(wù)。 提高管理水平 與傳統(tǒng)的管理方式不同的是，智能照明控制系統(tǒng)采用自動(dòng)控制為主，人工控制為輔的系統(tǒng)。一般情況下，是不需要人為操作的，系統(tǒng)的自動(dòng)化管理不單單實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，也減少了管理人員數(shù)量，還避免了以往許多由于人為因素而造成的不定時(shí)開關(guān)，大大的提高了教學(xué)質(zhì)量與管理水平 。 減少開支 雖然智能照明系統(tǒng)看似只是具備自動(dòng)開關(guān)的功能，但是我們得知道它在提高燈管壽命、減少人力開支的同時(shí)，還可以有效的節(jié)約能源。根據(jù)一般辦公大樓的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，節(jié)能效率可以達(dá)到 40%以上，一般的商場(chǎng)、酒店、地鐵站等，節(jié)能效率也就能達(dá)到 25%— 30%；由于我國(guó)以前的粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式已經(jīng)導(dǎo)致資源匱乏，所以調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力推廣智能照明具有重大意義。 針對(duì)現(xiàn)在眾多高校教學(xué)樓的用電設(shè)備和管理的不足，以提高用電設(shè)備效率和改善教學(xué)管理為目的，開發(fā)了一套完善的基于單片機(jī) MSP430 和總線的智 能教室控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要運(yùn)用電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和相關(guān)軟件，整個(gè)系統(tǒng)是由“教室監(jiān)測(cè)控制單元 — R485 通訊線 — 樓層顯示控制單元 — CAN總線 —中央計(jì)算機(jī)單元”組成，智能教室控制系統(tǒng)通過傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)教室的溫度、學(xué)生人數(shù)、照明亮度、使用狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與顯示，并且對(duì)教室內(nèi)部的用電設(shè)備進(jìn)行了合理的控制與管理，達(dá)到了節(jié)約用電和智能化管理。 3 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的研究 本控制系統(tǒng)的總體組成，簡(jiǎn)要概述系統(tǒng)為“教室檢測(cè)控制單元 — RS485— 樓層顯示控制單元 — CAN 總線 — 中央計(jì)算機(jī)單元”結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用基于 RS485和 CAN 總線的分布式集散控制系統(tǒng)對(duì)學(xué)校教學(xué)樓用電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。教室檢測(cè)控制單元、樓層顯示控制單元、中央計(jì)算機(jī)單元的設(shè)計(jì)是采用北京亞控公司提供的組態(tài)王 ，在組態(tài)王提供的編程環(huán)境下編制了上位機(jī)監(jiān)控程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)的教室檢測(cè)控制單元所采集到的信息接收和處理，并且組態(tài)王 還可以為我們提供一個(gè)全中文，圖形化，動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控界面。通過仿真可以對(duì)教室用電設(shè)備開關(guān)狀況、教室溫度、光照強(qiáng)度、學(xué)生人數(shù)、學(xué)生信息等進(jìn)行監(jiān)控 和統(tǒng)計(jì)。在同一樓層各教室檢測(cè)控制單元之間采用的是 RS485標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，而在樓層顯示控制單元與中央計(jì)算機(jī)單元之間利用的是 CAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通道，智能教室控制系統(tǒng)整體組成如圖 所示。 圖 智能教室控制系統(tǒng)整體組成框圖 下面詳細(xì)介紹各級(jí)單元及其之間的通訊網(wǎng)絡(luò)。 教室檢測(cè)控制單元 每個(gè)教室安裝的教室檢測(cè)控制單元是以單片機(jī) MSP430 為核心的數(shù)據(jù)采集和控制裝置。它直接與各種 I/O 設(shè)備相連，通過這些 I/O設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)溫度、光照強(qiáng)度、教室內(nèi)的學(xué)生人數(shù)、學(xué)生上課等信息采 集、存儲(chǔ)與處理，并可實(shí) 4 現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)用電設(shè)備開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，同時(shí)通過 RS485 通訊錄與樓層顯示控制單元通訊，最終可通過 CAN 總線與中央計(jì)算機(jī)單元通訊。教室檢測(cè)控制單元可以接收樓層顯示控制單元和中央控制計(jì)算機(jī)的命令并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自動(dòng)控制用電設(shè)備，每個(gè)教室檢測(cè)控制單元都是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊、通訊模塊等組成。此控制單元采用了積木式的組合結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的需要選用不同的控制模塊進(jìn)行組合，其框圖如圖 所示。同時(shí)為了便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，在每個(gè)教室安裝一個(gè)控制 面板，其布局如圖 所示。 圖 教室控制器的組成框圖 圖 教室控制器面板顯示圖 樓層顯示控制單元 樓層顯示控制單元主要對(duì)該樓層教室檢測(cè)單元進(jìn)行集中操作管理、狀態(tài)顯示、通訊控制和維護(hù)每間教室的用電對(duì)象，并協(xié)調(diào)各教室檢測(cè)控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，使樓層間的管理相互對(duì)立，提高整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)的可靠性。樓層顯示控制單元向下通過 RS485 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)教室檢測(cè)控制單元的數(shù)據(jù)采集信息、狀態(tài)顯示和集中管理，向上都統(tǒng)一掛在 CAN 總線和 RS485 通訊線來讀取各個(gè)教室中由每個(gè)教室 控制單元中所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對(duì)所采集到的信息做基本顯示的功能，例如顯示教室狀態(tài)（空或滿），以及控制整個(gè)樓層用電設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)將中央控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令傳送給各個(gè)教室控制單元。其組成框圖如圖 所示。 5 圖 樓層控制器的組成框圖 中央計(jì)算機(jī)單元 中央控制計(jì)算機(jī)采用常用 PC 機(jī)，在 PC 機(jī)上配置 CAN 總線配卡 ， 用于同 CAN總線相連。中央控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)的控制和管理的中心，其功能是將樓層顯示控制單元及教室控制單元發(fā)送過來的信息進(jìn)行處理，按要求控制輸出單元，可自動(dòng)或 手動(dòng) 去 對(duì)各控制裝置發(fā)出指令，并可按要求進(jìn)行各類參數(shù)圖像的顯示，軟件主要是由組態(tài)王 和 ACCESS 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，通過組態(tài)監(jiān)控畫面對(duì)教室檢測(cè)單元和樓層顯示單元進(jìn)行集中管理與控制。 通訊網(wǎng)絡(luò) 通訊網(wǎng)絡(luò)是保證整個(gè)智能教室控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，所有的教室檢測(cè)控制單元和樓層顯示控制單元都連接在通訊網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)上，最終與中央計(jì)算機(jī)單元相連。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的串行口和單片機(jī)的串行通訊的功能，采用 RS485 和CAN 通訊模塊分別實(shí)現(xiàn)教室控制單元中的 MSP430 單片機(jī)與樓層顯示控制單元中的 MSP430單片機(jī)，樓層顯示控制單元中的 MSP430 單片機(jī)與中央控制計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)距離通訊。 智能教室控制系統(tǒng)的最終目的就是為了實(shí)現(xiàn)教室的節(jié)能、改善教學(xué)管理。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能概括為以下幾點(diǎn)： 教室檢測(cè)控制單元數(shù)據(jù)的采集 系統(tǒng)的底層設(shè)備教室檢測(cè)控制單元具有自動(dòng)采集和命令采集兩種模式。自動(dòng)定時(shí)采集就是教師檢測(cè)控制單元可以根據(jù)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置對(duì)教室進(jìn)行循環(huán)采集數(shù)據(jù)，命令采集模式是指當(dāng)教室管理人員發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后，先由中央計(jì)算機(jī)單元通過 CAN 通訊信道將命令信息傳送到中央控制器，中央控制器 在經(jīng) RS485 通訊信道傳送到教室檢測(cè)控制單元，最后根據(jù)需要采集相應(yīng)的信息。 教室遠(yuǎn)程端控制功能 系統(tǒng)采用了原有的教室內(nèi)部用電設(shè)備控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上的教室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)教室實(shí)施相應(yīng)的命令，是的教室的用電設(shè)備能夠及時(shí)的開或關(guān)。 顯示功能 可以將采集到的數(shù)據(jù)最終顯示在中央計(jì)算機(jī)控制單元，組態(tài)王 實(shí)行的是全中文化、圖形化、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控界面。在計(jì)算機(jī)上面能顯示部分畫面以及教室使用狀態(tài)和相關(guān)信息在 PC 機(jī)上顯示出來。 6 本系統(tǒng)的工作過 程包括兩個(gè)部分，第一部分是教室監(jiān)控單元對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)的采集，并進(jìn)行初步處理。這一部分主要是采集傳感器信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)并且經(jīng)過單片機(jī) MSP430 收集處理，送到存儲(chǔ)器。第二部分是主控上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、處理。主控上位機(jī)的信息采集是由監(jiān)控軟件組態(tài)王采用 DDE方式從 CAN適配卡中獲取樓層控制器傳來的數(shù)據(jù)，而樓層控制器的數(shù)據(jù)是通過 RS485 通訊從教室控制器獲取教室的信息。反之，主控上位機(jī)對(duì)教室的用電設(shè)備發(fā)出命令時(shí)，則是主控上位機(jī)通過 CAN 總線把命令傳給樓層控制器，然后再由樓層控制器經(jīng) RS485 通訊把主控上位機(jī)的命令傳至教室 控制器，教室控制器根據(jù)上位機(jī)的命令做出相應(yīng)的動(dòng)作，最后通過組態(tài)王自身的圖形界面制作功能和動(dòng)態(tài)鏈接特性，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況及各性能參數(shù)進(jìn)行處理，生動(dòng)的表現(xiàn)于上位機(jī)界面。 7 3 教室檢測(cè)控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 教室檢測(cè)單元是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，它主要的功能表現(xiàn)在對(duì)教室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能上面，它還會(huì)根據(jù)樓層顯示控制單元和中央計(jì)算機(jī)單元的不同要求去控制日光燈和電風(fēng)扇等用電設(shè)備。 教室檢測(cè)控制單元主要功能： （ 1） 教室檢測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)了對(duì) 教室內(nèi)溫度、光線強(qiáng)度、學(xué)生人數(shù)等信息的采 集，通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，可以 傳送到樓層顯示單元和中央計(jì)算機(jī)單元。 （ 2） 教室檢測(cè)控制單元中有非接觸 IC卡，可以完成學(xué)生上課的基本信息，有 助于教學(xué)管理的效率。 （ 3） 教室檢測(cè)控制單元中光照傳感器將采集到的電壓值和設(shè)定電壓相比較而 自動(dòng)完成教室內(nèi)部日光燈的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。 （ 4） 教室檢測(cè)控制單元中數(shù)碼顯示管 可以 顯示教室內(nèi)用電設(shè)備的狀況。 （ 5） 通過 RS485 總線完成與樓層顯示控制單元的通訊。 （ 6） 可以接收樓層顯示控制單元和中央控制計(jì)算機(jī)的命令并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制 輸出。 （ 7） 可以手動(dòng)操作教室檢測(cè)控制單元中的按鍵來對(duì)教室內(nèi)部的用電設(shè)備進(jìn)行 開關(guān)操作。 件選擇 智能教室控制系統(tǒng)要求智能化、功耗低、可靠性高、使用方便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，我們選用 MSP430 單片機(jī)， MSP430 系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器 1996 年開始推向市場(chǎng)的一種 16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（ RISC）的混合信號(hào)處理器。稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微小處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供單片機(jī)解決方案。其具體特點(diǎn)有： （ 1） 處理能力強(qiáng) MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操 作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 （ 2）運(yùn)算速度快 MSP430 系列單片機(jī)能在 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns 的指令周期。 16位的數(shù)據(jù)寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號(hào)處理 的某些算法（如 FFT 等）。 （ 3） 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。 首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電 流最低 將 會(huì)在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（ ） DT26 OR DT38[4]，也可以使用兩個(gè)晶 8 體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這 些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。 由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開啟的功能模塊不同，即采用不