路則光，王 萌，賈萬達，王鳳杰，侯加林*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

在未來的辦公環(huán)境中，智能化家具將提供更加便利的工作環(huán)境［1－2］?！爸悄芑k公家具”是未來的一種發(fā)展趨勢，雖然當前尚處于起步階段，但是它將會有廣闊的發(fā)展空間［3］。作為高端辦公家具的智能化大班臺應(yīng)能對辦公環(huán)境質(zhì)量進行智能化控制，根據(jù)人員需要自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，形成舒適健康的辦公環(huán)境，提高人員的工作效率和心理滿意度［4－6］。Zheng 等人指出無線網(wǎng)絡(luò)(WSN)能感應(yīng)各種環(huán)境空間中的信號，檢測各種目標對象和各種條件，收集相關(guān)信息［7］。Lun－Wu Yeh 等人認為可利用無線傳感器在線檢測建筑內(nèi)各個房間內(nèi)電器的使用狀況，根據(jù)需要打開或關(guān)閉電源，達到節(jié)約能源的目的［8］。德國的Linner，T.等人提出可以采用智能技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境及其設(shè)備進行控制等［9］。在前期研究辦公環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文主要探討智能化大班臺的溫度自動控制系統(tǒng)，分析其硬件和軟件，借助空調(diào)實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的自動調(diào)節(jié)。

1 辦公環(huán)境溫度要求

智能辦公環(huán)境的目標是提高室內(nèi)人員的工作效率，營造較高的舒適度，為未來的技術(shù)維護和升級提供發(fā)展空間［10］。就室內(nèi)環(huán)境(熱、光、聲、空氣品質(zhì))而言，熱環(huán)境的質(zhì)量對人員工作效率的影響較大［11－12］。并且，與人員舒適度相關(guān)的因素主要有溫度、濕度、風速、人體新陳代謝量、衣著、平均輻射溫度等，這些因素之間相互作用，共同影響著室內(nèi)人員對辦公環(huán)境的冷熱感覺。因此，室內(nèi)熱環(huán)境與人員的工作效率和舒適度有著密切的關(guān)系，智能辦公環(huán)境要達到預(yù)期的目標，改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量是根本而有效的途徑之一。

溫度直接影響人體通過對流、輻射及蒸發(fā)三種形式的散熱量，使人體產(chǎn)生維持熱量平衡的各種生理反應(yīng)，進而影響人體的熱舒適度和工作效率。人處于突變環(huán)境空氣溫度下，熱感覺會隨著空氣溫度的變化立即發(fā)生變化［13］。在人體達到正常熱平衡時的熱感覺就是熱舒適［14、15］，冬季的熱舒適溫度在19～21℃之間，夏季則在21～23℃之間［16－18］。我國《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50019－2003)》［19］規(guī)定舒適性空調(diào)室內(nèi)溫度冬季應(yīng)為18～24℃，夏季應(yīng)為22～28℃。

就溫度對工作效率的影響而言，過高或過低的環(huán)境溫度都不利于工作效率的提高。Sundstrom 發(fā)現(xiàn)在暖環(huán)境下長期工作，人員腦力任務(wù)(尤其是那些需要協(xié)調(diào)視覺和手動操作的任務(wù))的錯誤率上升［20］。Pepler和Warner 認為溫度與任務(wù)反應(yīng)時間之間存在倒U 型曲線關(guān)系，在26.7℃下用時最長，但錯誤率也最低［21］。Wyon 發(fā)現(xiàn)溫度對工作績效的影響與任務(wù)性質(zhì)有很大關(guān)系:對腦力任務(wù)，當中性溫度為21℃時，工作速率在27℃時下降30%，當溫度高于27℃后，下降幅度保持為70%;對打字任務(wù)，當溫度高于中性溫度4℃后，績效就下降了70%，隨后隨溫度的上升下降幅度保持不變［22］。M kinen 等認為冷環(huán)境對人體生理反應(yīng)和熱感覺有負面作用，并使簡單反應(yīng)時任務(wù)的速度和績效下降［23］。Parsons KC 發(fā)現(xiàn)簡單認知任務(wù)比較容易受冷環(huán)境的影響，低溫環(huán)境使關(guān)節(jié)變僵硬，肌肉活性下降，手的靈活性下降，從而對手工靈活性有要求的任務(wù)在適度冷環(huán)境下績效會有所下降［24］。當溫度在20～22℃左右時，人手的靈活性就開始下降［25］。

2 硬件

按功能分，溫度自動控制系統(tǒng)的硬件包括信息接收及處理裝置、信號發(fā)射裝置和執(zhí)行裝置三部分，如圖1 所示。

圖1 硬件關(guān)系圖Fig.1 Relationship chart of hardware

根據(jù)由室內(nèi)溫度傳感器監(jiān)測的溫度信息，無線傳輸?shù)接嬎銠C。依據(jù)計算機內(nèi)的單片機程序?qū)囟刃畔⑦M行邏輯判斷，指揮信號發(fā)射裝置發(fā)出升溫或降溫指令，繼電器控制電路工作，自動調(diào)節(jié)遙控器的溫度開關(guān)，空調(diào)開始啟動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

2.1 信息接收及處理裝置

信息接收及處理裝置包括計算機和單片機。其中，作為核心部件的單片機是控制器，外接一個無線RS－232 通信接口與計算機進行通信，用于溫度信息的接收、分析和處理。

2.1.1 溫度傳感器 根據(jù)辦公室的特點，溫度傳感器應(yīng)具有穩(wěn)定性好，靈敏，響應(yīng)迅速，準確度高的性能。本研究選用DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器測量溫度，主要基于以下三點:一是采用單線接口，與單片機連接方便，編程也較為簡單;二是測量溫度范圍為－55℃～+125℃，在－10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，完全可以滿足監(jiān)測辦公室內(nèi)溫度的需要;三是反應(yīng)靈敏，能夠及時監(jiān)測到溫度的變化。此外，價格低廉，在大規(guī)模應(yīng)用的場合可顯著降低成本。圖2為溫度傳感器DS18B20，其內(nèi)部有三個主要數(shù)字部件:64 位激光ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。

圖2 溫度傳感器DS18B20Fig.2 Temperature sensor DS18B20

2.2.2 單片機 單片機是室內(nèi)溫度自動控制系統(tǒng)的核心，負責把各個傳感器采集的信息讀取出來并發(fā)送給計算機。本項目選擇MCU－51 單片機，如圖3 所示。它是一款基礎(chǔ)入門的單片機，價格低廉、性能穩(wěn)定，而且功耗低，可以用電池供電，更增加了采集點放置的靈活性。

圖3 MCU－51 單片機Fig.3 MCU－51 MCU

2.2 信號發(fā)射裝置

信號發(fā)射裝置由繼電器控制電路和遙控器電路板組成，繼電器控制電路與遙控器電路板溫度鍵下的金屬導(dǎo)線相連，由繼電器電路控制遙控器溫度鍵的開關(guān)，從而使空調(diào)升溫或降溫。其中，繼電器控制電路是核心，其工作原理如圖4 所示。

圖4 繼電器控制電路Fig.4 Control circuit of electric relay

當單片機管腳輸出為高電平時，三極管截止，繼電器兩端不通電，繼電器開關(guān)斷開，兩根導(dǎo)線不導(dǎo)通，相當于遙控器溫度鍵未被按下，不向空調(diào)發(fā)射信號;當單片機管腳輸出為低電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器兩端通電，繼電器開關(guān)閉合，兩根導(dǎo)線導(dǎo)通，相當于遙控器溫度鍵被按下，向空調(diào)發(fā)射信號。

2.3 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置是空調(diào)，可以根據(jù)遙控器溫度鍵下的導(dǎo)線接通與否，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度參數(shù)，以取得理想的溫度舒適度。這是溫度自動控制的主要目的。

3 軟件

軟件是溫度自動控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，作用是對接收的溫度信息進行分析和處理，其流程如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Work process of software

當溫度值高于設(shè)定的溫度上限時，與遙控器電路板降低溫度按鍵相對應(yīng)的單片機管腳輸出低電平，向空調(diào)發(fā)射降低溫度的信號;當溫度值低于設(shè)定的溫度下限時，與遙控器電路板升高溫度按鍵相對應(yīng)的單片機管腳輸出低電平，向空調(diào)發(fā)射升高溫度的信號;當溫度值介于設(shè)定的溫度上限和溫度下限之間時，與遙控器電路板降低溫度按鍵和升高溫度按鍵相對應(yīng)的單片機管腳都輸出高電平，不向空調(diào)發(fā)射信號。

4 結(jié)語

本文研究了智能化大班臺的溫度自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件，借助繼電器的接通與否可以控制空調(diào)開關(guān)，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，以獲得舒適的辦公環(huán)境。系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，會提高智能化辦公空間的環(huán)境質(zhì)量，將提升智能化大班臺的科技含量。同時，溫度自動控制系統(tǒng)也可用于民用住宅中，根據(jù)環(huán)境溫度的改變自動調(diào)節(jié)溫度，使人們獲得良好的舒適感，從而提升生活質(zhì)量。因此，溫度自動控制系統(tǒng)具有較高的使用價值和推廣價值。

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