一种远程的教学楼电能节能控制系统的制作方法

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种远程的教学楼电能节能控制系统。

背景技术：

目前，我国绝大部分高校教学楼教室内的电器设备(照明灯、风扇、空调等)使用处于一种由进入教室内的人员人工控制的方式。由于缺乏对教室使用及其内电器设备使用进行科学合理的控制与管理，因而教室内电气设备有效利用率不高，造成资源的严重浪费，这与当今社会提倡“节约能源，低碳环保，可持续发展”的主题，极其不相符。具体表现为：1、学生节能意识不高，造成巨大的电能浪费。比如：教室内温度适宜却开空调，光线充足却打开照明灯，学生离开教室忘记关空调、风扇、照明灯的现象。2、自习教室开放管理不当，造成的电能浪费。比如：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。

查阅文献显示，用于教学楼节能控制现有的发明或实用新型专利不少，但都存在有不足。比如：公告号为CN201230398Y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，采用红外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，该专利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，该专利存在易误触发的缺陷。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，但该专利不适合教室照明使用的具体要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种远程的教学楼电能节能控制系统，其能够对教学楼中各教室、办公室的电器设备进行自动管理与控制，以达到节约能源、节约管理者的人力、物力，提高教学楼教室内电器设备使用效率的目的。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种远程的教学楼电能节能控制系统，包括教室节点单元、教学楼电井控制单元、教学楼主控制中心单元和电能节能控制中心单元。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控制处。教学楼电井控制单元安装于每栋教学楼的配电电井。教学楼主控制中心单元安装于每栋教学楼的配电房。电能节能控制中心单元安放在整个校园配电管理中心。教室节点单元上设有无线通信模块、控制接口、交流输出接口和交流输入接口。教室节点单元的控制接口与触控开关连接，教室节点单元的交流输出接口与教室负载连接。教室节点单元的无线通信模块与检测开关电路通信。教学楼电井控制单元上设有交流输出接口、交流输入接口和通信模块。教学楼电井控制单元的交流输出接口与教室节点单元的交流输入接口连接。教学楼电井控制单元的交流输入接口与电网连接。教学楼电井控制单元的通信模块分为有线通信模块和无线通信模块，其中无线通信模块与教室节点单元的无线通信模块通信，有线通信模块与教学楼主控制中心单元的通信模块通信。教学楼主控制中心单元和电能节能控制中心单元上均设有通信模块。教学楼主控制中心单元的通信模块与电能节能控制中心单元的通信模块通信。

上述方案中，教室节点单元由单火线接线端、单火线开关电源模块、线性稳压模块、单片机、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。单火线接线端的输入端形成教室节点单元的交流输入接口。单火线接线端的输出端分两路，一路连接单火线开关电源模块的电源端，另外一路连接多路继电器的电源端。单火线开关电源模块的输出端分两路，一路连接线性稳压模块的电源端，另外一路连接继电器驱动与检测保护电路的电源端。线性稳压模块的输出端分两路，一路连接单片机的电源端，另外一路连接无线通信模块的电源端。单片机的输入输出端口与无线通信模块连接，该无线通信模块形成教室节点单元的无线通信模块。单片机的输入端形成教室节点单元的控制接口。单片机的输出端连接继电器驱动与检测保护模块的控制端，继电器驱动与检测保护模块的输出端连接多路继电器的控制端，多路继电器的输出端形成教室节点单元的交流输出接口。

上述方案中，触控开关包括常闭机械开关、常开机械开关与触摸开关。

上述方案中，检测开关电路包括照度检测开关电路和人数检测开关电路。

上述方案中，教学楼电井控制单元由MCU控制模块、无线通信模块、有线通信模块、固态继电器和交流接触器组成。MCU控制模块与有线通信模块和无线通信模块连接，该有线通信模块形成教学楼电井控制单元的有线通信模块，该无线通信模块形成教学楼电井控制单元的无线通信模块。MCU控制模块的控制输出端连接固态继电器的输入端，固态继电器的输出端连接交流接触器的控制线圈。交流接触器的交流输入接口形成教学楼电井控制单元的交流输入接口，交流接触器的交流输出接口形成教学楼电井控制单元的交流输出接口。

上述方案中，教学楼主控制中心由主控通信模块、主控时钟模块和主控微处理器组成。主控微处理器同时与主控通信模块和主控时钟模块连接。主控通信模块形成教学楼主控制中心单元的通信模块。

上述方案中，教学楼主控制中心还进一步包括主控显示与控制电路。该主控显示与控制模块与主控微处理器相连。

上述方案中，电能节能控制中心单元由总控通信模块、总控时钟模块、总控显示与控制模块和总控微处理器组成。总控微处理器同时与总控通信模块、总控时钟模块、以及总控显示与控制模块连接。总控通信模块的通信模块形成电能节能控制中心单元的通信模块。

上述方案中，电能节能控制中心单元还进一步包括移动通信模块和PC机通信模块。移动通信模块和PC机通信模块均与总控微处理器连接。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、可根据需要适当地控制教室或办公室内电器设备的开启或关闭，避免教室或办公室内电器设备无节制使用而造成电能浪费的问题，以达到节约电能的目的。另外管理者可利用手机或PC机远程对教学楼的教室或办公室内的电器设备进行管理与控制，不必亲临现场，可以节约管理者的人力、物力。自习教室采用集中管理的方法，根据自习学生的人数来给自习教室供电，在每栋教学楼大门前装有LED屏幕显示当前供电的自习教室，一方面可以方便学生寻找供电的自习教室，另一方面达到节约电能的良好效果。

2、根据学校的通、断电安排表自动控制教室用电设备供电，根据教室内不同区域自然光强弱自动开关分组灯，解决学生节能意识不高，自习教室开放管理不当等造成巨大的电能浪费的问题，从而达到“节约能源，低碳环保，可持续发展”的目的。

3、通过手机或PC机实现了远程管理与控制，节约管理者的人力、物力。学生可以通过手机登陆系统网页或到每栋教学楼前的LED屏幕上查看开放的自习教室，方便学生寻找供电的自习教室。

4、结构简单、性能可靠、成本较低和易安装。

附图说明

图1为一种远程的教学楼电能节能控制系统的原理框图。

图2为教室节点单元的原理示意图。

图3为教室节点单元的电路框图。

图4为教学楼电井控制单元的原理示意图。

图5为教学楼主控制中心单元的原理示意图。

图6为电能节能控制中心单元的原理示意图。

具体实施方式

一种远程的教学楼电能节能控制系统，如图1所示，包括教室节点单元、教学楼电井控制单元、教学楼主控制中心单元和电能节能控制中心单元。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控制处，教学楼电井控制单元安装于每栋教学楼的配电电井，教学楼主控制中心单元安装于每栋教学楼的配电房，电能节能控制中心单元安放在整个校园配电管理中心。

教室节点单元上设有无线通信模块、控制接口、交流输出接口和交流输入接口。教室节点单元的控制接口与触控开关连接，教室节点单元的交流输出接口与教室负载连接。教室节点单元的无线通信模块与检测开关电路通信。教学楼电井控制单元上设有交流输出接口、交流输入接口和通信模块。教学楼电井控制单元的交流输出接口与教室节点单元的交流输入接口连接。教学楼电井控制单元的交流输入接口与电网连接。教学楼电井控制单元的通信模块分为有线通信模块和无线通信模块，其中无线通信模块与教室节点单元的无线通信模块通信，有线通信模块与教学楼主控制中心单元的通信模块通信。教学楼主控制中心单元和电能节能控制中心单元上均设有通信模块。教学楼主控制中心单元的通信模块与电能节能控制中心单元的通信模块通信。

1、教室节点单元，参见图2。

教室节点单元由单火线接线端、单火线开关电源模块、线性稳压模块、单片机、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。单火线接线端的输入端形成教室节点单元的交流输入接口。单火线接线端的输出端分两路，一路连接单火线开关电源模块的电源端，另外一路连接多路继电器的电源端。单火线开关电源模块的输出端分两路，一路连接线性稳压模块的电源端，另外一路连接继电器驱动与检测保护电路的电源端。线性稳压模块的输出端分两路，一路连接单片机的电源端，另外一路连接无线通信模块的电源端。单片机的输入输出端口与无线通信模块连接，该无线通信模块形成教室节点单元的无线通信模块。单片机的输入端形成教室节点单元的控制接口。单片机的输出端连接继电器驱动与检测保护模块的控制端，继电器驱动与检测保护模块的输出端连接多路继电器的控制端，多路继电器的输出端形成教室节点单元的交流输出接口。如图3所示。采用单火线供电技术，解决了改造施工麻烦的问题，只需要在原电路上进行更换即可。多路继电器来实现教室负载的控制，每个用电设备可以单独控制，或者几个用电设备一起控制(教室内分区控制)。教室负载可以是教室中的所有用电设备，如电灯、风扇、空调或教学设备等。

触控开关直接与单片机连接。触控开关包括常闭机械开关、常开机械开关和触摸开关。常开机械开关可根据用户需求采用具有复位功能且带常开触点的机械开关或触摸开关。常闭机械开关可根据用户需求采用具有复位功能且带常闭触点的机械开关或触摸开关。在本发明优选实施例中。触摸开关采用电容触摸方式控制，这样延长了系统的使用寿命，按一次接通，再按一次关断，而且功耗也比目前所使用的自锁继电器的维持功耗低。

检测开关电路通过无线通信模块与单片机连接。检测开关电路包括MCU单元电路、照度检测开关电路和人数检测开关电路。检测开关电路通过无线通信方式与单片机实现连接，可以接收来自教室内光照及进入教室人数传感器的信息，并根据这些信息进行控制决策。照度检测开关电路采用多点采集方式，在教室的多个位置(讲台、教室的前后两侧)安装光照度传感器，传感器通过无线方式将采集到的光照数据传给教室节点单元的单片机，在教室节点单元上进行多通道数字滤波后，再进行控制决策运算。为了开放自习教室的管理，采用学生证ID识别的方式(可延伸为上下课考勤)，避免学生以重入等方式模拟增多进入教室的人数，人数检测开关电路通过无线方式将数据传送给教室节点单元和教学楼主控制中心单元，教学楼主控制中心单元根据所获得的教室内的人数，发送指令给教学楼电井控制单元以开放教室的供电，教室节点控制模块根据所获得的教室内人数开放分区供电的情况。ID识别模块分2个区域，即2个读头，一个用于进入教室刷卡，一个用于离开教室刷卡。同时培养了学生带卡用卡的习惯。

为了响应教学楼电井控制单元的通断电控制，教室节点单元在刚上电时，开关必须处于断开状态，即不论原来的用电设备处于开启还是关闭状态，用电设备均处于关闭状态，这样能够避免误操作将教室的用电设备打开，此功能在单片机中通过程序判断上电过程。

教室节点单元既通过电力线与教学楼电井控制单元连接，教室节点单元又通过无线通信模块与教学楼电井控制单元进行通信。

2、教学楼电井控制单元，参见图4。

教学楼电井控制单元是将教学楼主控制中心单元的控制信号进行转换并实施的装置，实现该楼栋某个区域或楼栋某个电井的断电和供电。

教学楼电井控制单元由MCU控制模块、无线通信模块、有线通信模块、固态继电器和交流接触器组成。MCU控制模块与有线通信模块和无线通信模块连接，该有线通信模块形成教学楼电井控制单元的有线通信模块，该无线通信模块形成教学楼电井控制单元的无线通信模块。MCU控制模块的控制输出端连接固态继电器的输入端，固态继电器的输出端连接交流接触器的控制线圈。交流接触器的交流输入接口形成教学楼电井控制单元的交流输入接口，交流接触器的交流输出接口形成教学楼电井控制单元的交流输出接口。

教学楼电井控制单元通过通信电缆与教学楼主控制中心单元进行通信。

3、教学楼主控制中心单元，参见图5。

教学楼主控制中心单元用于控制该栋楼的集中通电与断电时间。

教学楼主控制中心由主控通信模块、主控时钟模块、主控显示与控制电路和主控微处理器组成。主控微处理器同时与主控通信模块、主控时钟模块、以及主控显示与控制电路连接。主控时钟模块与主控微处理器连接，教学楼主控制中心单元上设置有高精度的日历时钟，并可以存放管理多组(组数可根据需要进行设置)通电与断电的时间。主控显示与控制电路用于实现控制并显示当前教学楼主控制中心的时间或者楼栋的通电与断电状态。主控通信模块形成教学楼主控制中心单元的通信模块。此外，主控通信模块还可以配合PC机或手机实现非定时模式的联机控制，即在任意时刻均可用PC机或手机实现某栋或某几栋教学楼的通电与断电。

教学楼主控制中心单元通过通信电缆与电能节能控制中心单元进行连接。

4、电能节能控制中心单元，参见图6。

电能节能控制中心单元用于控制每栋楼的集中通电与断电时间。

电能节能控制中心单元由总控通信模块、总控时钟模块、总控显示与控制模块、移动通信模块、PC机通信模块和总控微处理器组成。总控微处理器同时与总控通信模块、总控时钟模块、以及总控显示与控制模块、移动通信模块和PC机通信模块连接。总控通信模块的通信模块形成电能节能控制中心单元的通信模块。电能节能控制中心单元上设置有高精度的日历时钟，并可以存放管理多栋楼(楼栋数可根据需要进行设置)，每栋20组(组数可根据需要进行设置)通电与断电的时间。总控显示与控制电路用于实现控制并显示当前电能节能控制中心单元的时间或者楼栋的通电与断电状态。移动通信设备(如手机或平板电路)通过移动通信模块与总控微处理器连接，计算机通过PC机通信模块与总控微处理器连接。

在本发明优选实施例中，手机为安卓系统的手机，安装教学楼节能控制系统的APP，通过GSM与电能节能控制中心进行通信，从而实现对电能节能控制中心的控制与管理。PC机为普通的计算机，安装教学楼节能控制系统的上位机软件，通过USB接口和电能节能控制中心进行通信，从而实现对电能节能控制中心的控制与管理。电能节能控制中心单元可以配合PC机或手机实现非定时模式的联机控制，即在任意时刻均可用PC机或手机实现某栋或某几栋教学楼的通电与断电。电能节能控制中心单元可以通过PC机或手机进行设置/修改某栋教学楼的通电与断电控制时间。一经设置完成，电能节能控制中心可以脱离PC机或手机单独使用。

本远程的教学楼电能节能控制系统的控制策略有如下两种：

第一种，正常上课时，根据学校的上课时间进行控制，同时检测环境的光照情况，当环境光照大于设定阈值说明环境光照满足正常上课需求，不进行供电，当环境光照小于设定阈值时才进行供电。具体的实施方法是：

正常上课时由教学楼主控制中心单元发送指令给教学楼电井控制单元，由教学楼电井控制单元控制教室的供电情况，教室内的灯的开关由光照度和操作者决定，为了避免光照传感器的误检测(如有人在传感器前走过或者其他原因短时遮挡住传感器，造成光照不足的错误判断，设计中设置了误判状态的检测。假设电井控制单元的控制状态为J，光照强度设定阈值为L_o，当前光照为L_x，光照条件满足的时间为T(L_x<L_o)，光照条件阈值时间为T_o，触摸开关的触摸状态为P_on，那么灯开启的条件是：C_on＝J&(T(L_x<L_o)>T_o)&P_on，一旦开灯，为避免上课过程中频繁的开关等，将光照条件无效，只有当触摸开关(关闭开关)或电井控制单元的控制信号到达时才能关灯，所以关灯的条件是C_off＝(！J)|P_off。风扇的控制不受光照影响，开启条件为C＝J&P。

第二种，自习时间，为了避免一个学生占用一间自习教室的情况，系统根据进入教室的学生的数量控制供电自习教室的数量和每个教室开放灯的数量，当某一自习教室的学生数量大于设定值(如90％)时，开放下一间自习教室。具体实施方法为：

首先，教学楼主控制中心单元发送自习模式到电井控制单元，教学楼电井控制单元开放第一间自习教室的供电状态J₁，此时教室的灯并没有点亮(光照条件同正常上课情况)，当有学生刷卡进入教室，则根据进入教室的人数N和光照情况开启对应区域的灯。I区的灯开启的条件是C_ion＝J₁&(T_i(L_x<L_o)>T_io)&P_ion&(N>N_io)。该决策同样在教室节点单元上实现。同样，关灯条件是C_ioff＝(！J₁)|P_ioff。

当第一间教室人数超过一定的数量时(如N₁>90％N_1o)，进入教室的人数数据通过无线方式发送至教学楼主控制中心单元，由教学楼主控制中心电路发送指令给电井控制单元开放下一间自习教室，即J_jon＝(J_j-1)&(N_j-1>90％N_j-1o)，而该间教室停止供电的条件是J_joff＝(N_j＝0)。

本发明实现了按用户需求设定通电与断电时间，根据设定的时间通过联机方式集中控制教学楼的通电与断电。当断电恢复供电后，教室中的用电设备自动处于关闭状态。在教室处安装有触控开关(即启动开关和关闭开关)，此时教室若有学生在看书，等待1分钟(等待时间可根据需要设定)，学生去按下安装在教室的触控开关(即启动开关)，即可恢复供电；若定时断电的时间未到，学生在离开教室时，可通过按下触控开关(即关闭开关)，切断供电。通过教学楼节能控制系统可以防止学生在离开教室忘记关灯、关电风扇、关空调而出现教室无人灯也常亮、电风扇和空调也常运转等能源浪费的现象，达到了节能的目的，为低碳生活做出贡献。另外，为了节约管理者的人力、物力和方便学生寻找供电自习教室，该系统增加了远程管理与查询的功能，管理者可以通过手机或PC机进行远程的管理与控制该系统，而不必亲临电能节能控制中心现场。学生可以通过手机登陆系统网页或到每栋教学楼前的LED屏幕上查看开放供电的自习教室。