張錦榮，羅彥琦

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，東莞 523419）

0 引言

隨著能源的日益緊張以及燃燒煤炭等資源帶來的社會和環(huán)境問題的日漸突出，高校節(jié)能工作也在全國各地蓬勃開展起來。高校教學(xué)樓的用電設(shè)備數(shù)量眾多，使用時(shí)間長，它們在整個(gè)學(xué)校用電量中所占的比重一直居高不下，不合理使用教室的用電設(shè)備會帶來電力資源的極大浪費(fèi)。

針對目前高校教室用電設(shè)備控制和教學(xué)管理不足的現(xiàn)狀，以提高教室用電設(shè)備的節(jié)能化和教學(xué)管理的效率為目的，研制了一套功能較完善的基于嵌入式的教室節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的電子及傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及實(shí)用的硬件平臺。整個(gè)系統(tǒng)采用“熱釋紅外傳感器為檢測模塊、51單片機(jī)為中心控制模塊、交流接觸器為執(zhí)行模塊”構(gòu)成。教室節(jié)能控制系統(tǒng)采用的紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)出教室等數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)對教室實(shí)時(shí)監(jiān)控，51單片機(jī)作為中央處理器對教室的用電設(shè)備進(jìn)行合理控制和管理。節(jié)能控制系統(tǒng)檢測到有人時(shí)起動(dòng)教室總電力系統(tǒng)，當(dāng)人離開后自動(dòng)切斷總電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高校教室用電設(shè)備控制的智能化和節(jié)能化的目標(biāo)。

1 高校教室的能耗特點(diǎn)

1.1 教室用電設(shè)備處于無人監(jiān)控狀態(tài)

教室里學(xué)生、老師可以隨意開啟風(fēng)扇、燈管、空調(diào)，整個(gè)教學(xué)樓的用電設(shè)備處于無人監(jiān)控狀態(tài)。

1.2 學(xué)生缺乏節(jié)約意識

在高校里學(xué)生離開教室不關(guān)閉電源的現(xiàn)象很普遍，學(xué)生缺乏節(jié)約的意識，造成極大的浪費(fèi)。

1.3 教室樓管理員管理效率低

教室使用完畢后，教室管理員需要對未關(guān)電源的教室進(jìn)行手動(dòng)切斷用電設(shè)備電源，效率極低，工作繁瑣。以東莞理工學(xué)院城市學(xué)院教室6409為例，由于沒有及時(shí)關(guān)閉用電設(shè)備，一年非正常使用的能耗如表1所示。

通過以上的表格可以得出教室一年空調(diào)和風(fēng)扇的用電時(shí)間基本上是 5、6、7、9月份（共 120天），其它的電器一年以40個(gè)教學(xué)周（共280天），計(jì)算教學(xué)樓6409教室用電設(shè)備由于不及時(shí)關(guān)閉電源而導(dǎo)致每年浪費(fèi)的金額為913元。整個(gè)學(xué)院教學(xué)樓按100間教室計(jì)算，一年內(nèi)非正常使用而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)高達(dá)913×100=9.13萬。此表格主要以 1、2、3、5、6、7號教學(xué)樓的教室進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如果增加圖書館、實(shí)驗(yàn)樓和辦公樓的能耗統(tǒng)計(jì)，由于不及時(shí)關(guān)閉電源導(dǎo)致每年造成的損失估計(jì)至少為30萬元。

表1 東莞理工學(xué)院城市學(xué)院教室6409用電設(shè)備一年非正常使用的能耗統(tǒng)計(jì)表

從以上統(tǒng)計(jì)表格可以看出，高校教室用電存在著極大的浪費(fèi)，教室節(jié)能絕非微不足道，即便單從經(jīng)濟(jì)利益的角度來看，節(jié)能系統(tǒng)的研究也是非常重要的。因此以東莞理工學(xué)院城市學(xué)院教室節(jié)能為研究藍(lán)本，提出該研究課題，通過分析和研究能耗產(chǎn)生的原因以及設(shè)計(jì)出節(jié)能控制系統(tǒng)以達(dá)到節(jié)能目的。

2 節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)能系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用單片機(jī)和人體紅外傳感器對學(xué)校教室用電設(shè)備進(jìn)行控制和管理。為了避免檢測到走廊的行人而影響節(jié)能系統(tǒng)的工作，因此整體方案是在教室內(nèi)的墻壁和天花板上安裝紅外傳感器，所有的檢測模塊均面向教室內(nèi)部空間，使教室內(nèi)部空間處于監(jiān)控范圍內(nèi)，檢測信號輸送到單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)紅外傳感器檢測到人體發(fā)出的熱能紅外線時(shí)，輸出信號到單片機(jī)進(jìn)行處理分析，控制系統(tǒng)起動(dòng)12V繼電器控制380V的交流接觸器啟動(dòng)用電設(shè)備。教室的人全部離開后紅外傳感器無信號輸出，10分鐘后教室電力系統(tǒng)自動(dòng)斷電，另外設(shè)有應(yīng)急電路開關(guān)，以避免控制系統(tǒng)故障時(shí)無法使用教室用電設(shè)備而影響正常教學(xué)秩序（工作原理圖如圖1所示）。

（1）檢測終端

以熱釋電紅外探測傳感器組件作為該系統(tǒng)的檢測終端，該組件由三個(gè)部分組成：熱釋電傳感器、匹配低噪放大器和菲涅爾光學(xué)系統(tǒng)。

（2）中央控制系統(tǒng)

控制器單元主要對教室檢測控制單元進(jìn)行集中操作管理，并協(xié)調(diào)各單元之間的數(shù)據(jù)傳送，以提高整個(gè)智能教室節(jié)能控制系統(tǒng)的可靠性。

（3）應(yīng)急控制系統(tǒng)

應(yīng)急控制系統(tǒng)是專門為整個(gè)節(jié)能系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)設(shè)計(jì)的，目的是保證教室的用電設(shè)備能正常使用，避免影響教學(xué)。

圖1 節(jié)能控制系統(tǒng)工作原理圖

2.2 節(jié)能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言實(shí)現(xiàn)。分主程序與子程序，子程序主要包括傳感器采集信息程序、單片機(jī)最小系統(tǒng)控制程序等程序模塊。主程序流程圖（主程序流程如圖2）。

圖2 主程序流程圖

表2 教室6409、6412電表讀數(shù)統(tǒng)計(jì)表（W·h）

整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用先進(jìn)的電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及實(shí)用的軟件平臺，設(shè)計(jì)了一套功能完善的教室節(jié)能控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)將單片機(jī)控制系統(tǒng)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成了整個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)。節(jié)能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對教室內(nèi)部用電設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)的合理控制和管理的功能，達(dá)到對高校教學(xué)樓教室用電設(shè)備控制的智能化和節(jié)約化的目標(biāo)。

3 試驗(yàn)教室能耗數(shù)據(jù)及節(jié)能效果分析

現(xiàn)對東莞理工學(xué)院城市學(xué)院教室6409安裝節(jié)能控制系統(tǒng)，以6412作為比較對象，連續(xù)對6409和6412進(jìn)行三個(gè)星期的現(xiàn)場試驗(yàn)，得出的測試數(shù)據(jù)如表2、3、4所示。

表3 教室6409、6412非上課時(shí)間電量統(tǒng)計(jì)表（W·h）

表4 教室能耗比較分析表

兩個(gè)教室均從2017年5月9日開始連續(xù)檢測三個(gè)星期的用電情況，從總體上來看，安裝了控制系統(tǒng)的教室6409總的用電量為504W·h，非上課時(shí)間的用電量為47W·h，而無控制系統(tǒng)的教室6412總的用電量為473W·h，非上課時(shí)間的用電量為120W·h?？傆秒娏可?409教室比教室6412多31 W·h，安裝了節(jié)能控制系統(tǒng)的教室總用電量比沒有安裝節(jié)能控制系統(tǒng)的用電量大，造成這個(gè)結(jié)果的原因與教室的用電設(shè)備使用頻率有很大的關(guān)系，但是從非上課時(shí)間段的用電量來看，未安裝控制系統(tǒng)的教室6412用了120 W·h，安裝了節(jié)能控制系統(tǒng)的教室6409用了47 W·h，比6412少用73 W·h。實(shí)際上6409和6412用在教學(xué)上的電量分別是457 W·h和353 W·h。因此，6409和6412的非上課時(shí)間用電與上課時(shí)間的用電之比分別為9.3%和25.4%，從表4、表5可以看出來6409非上課時(shí)間的區(qū)間用電量最大出現(xiàn)5月20號12：00～14：00共7W·h，而6412非上課時(shí)間的區(qū)間用電量最大出現(xiàn)5月12號16：00～19：00共 17W·h，而且用電超過 7 W·h的時(shí)間段有5處，比6409多4處。

從上面數(shù)據(jù)分析可以得出，裝上節(jié)能控制系統(tǒng)的教室的節(jié)能效果明顯。節(jié)省程度可達(dá)約16%。這些數(shù)據(jù)表明該節(jié)能系統(tǒng)在教室節(jié)能方面的確有一定的效果。該研究達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，杜絕了教室無人使用而用電設(shè)備空轉(zhuǎn)的浪費(fèi)情況。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

教室節(jié)能控制系統(tǒng)整個(gè)材料費(fèi)用約為600元，按實(shí)際使用情況統(tǒng)計(jì)三個(gè)星期可以節(jié)約73 W·h，共73×0.61=44.5元，即每個(gè)星期可以節(jié)約14.8元，一年就可以節(jié)約14.8×40=592元（教室并不是每天都滿負(fù)荷使用，因此一年按40個(gè)星期來計(jì)算）。所以一年就可以回收材料費(fèi)用。如果采用半自動(dòng)控制，僅用200元的材料費(fèi)用（節(jié)省了紅外傳感器模塊的費(fèi)用），只要4月就可以回收成本。因此，該節(jié)能控制系統(tǒng)值得推廣。

5 節(jié)能對策建議

（1）對用電管理實(shí)行目標(biāo)責(zé)任制。將目標(biāo)責(zé)任與年度考核及崗位競聘掛鉤，調(diào)動(dòng)管理部門和節(jié)電管理人員的積極性，加強(qiáng)各級管理部門的工作責(zé)任心，提高工作效率，承擔(dān)對各教學(xué)樓用電設(shè)備的檢查督促，以減少浪費(fèi)[1-3]。

（2）對學(xué)生開展節(jié)能教育。通過節(jié)約用電等知識講座、圖片展覽、知識競賽等活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能意識，讓學(xué)生掌握節(jié)能的基礎(chǔ)知識，真正懂得節(jié)約能源的重要性。

（3）加大節(jié)能宣傳力度。在高校內(nèi)開設(shè)節(jié)能降耗專欄、公益廣告等，提倡大家隨手關(guān)燈，上自習(xí)時(shí)集中坐位，充分利用自然采光等。讓學(xué)生在生活中注意節(jié)能環(huán)保細(xì)節(jié)，做到“從我做起，從點(diǎn)滴做起”。

6 結(jié)語

該課題對高校教室燈管、空調(diào)及其他用電設(shè)備的控制進(jìn)行了節(jié)能研究。以人體存在狀況等外界環(huán)境為控制的輸入?yún)?shù)，以STC89C51單片機(jī)主控單元為核心，以交流接觸器為執(zhí)行終端，與單純的人員管理教室用電設(shè)備相比更合理可靠，更有效地降低教室用電費(fèi)用。該節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于各類大、中專院校的教學(xué)樓用電設(shè)備管理具有重要的意義。

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