陈思敏 刘凯 徐月华 郑伟佳 黄少彬 林一帆

Multifunctional Smart Classroom Based on PLC

摘要： 针对考勤效率低，教室能源浪费等问题，本文提出一种基于PLC多功能智慧教室控制系统。该系统能实现教室照明的智能控制，智能考勤和智能控制多媒体设施，在不同的情况下可开启特定的模式，以满足不同亮度环境的需求，达到节能、人性化目的。

Abstract： In view of the problems of low attendance efficiency and energy waste in classrooms， this paper presents a multi-functional smart classroom control system based on PLC. The system can realize intelligent control of classroom lighting， intelligent attendance and intelligent control of multimedia facilities. Under different circumstances， specific modes can be turned on to meet the needs of different brightness environments and achieve energy-saving and user-friendly goals.

关键词： 智慧课室； PLC；传感器

Key words： smart classroom；PLC；sensor

中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0115-03

0 引言

随着教育事业的发展，学校教室的智能化需要越来越高。而大部分高校的教室的智能化还是以使用多媒体为中心，人工操作为主，智能化远远不够，而教室的照明用电的管理，基本处于一种粗放式的管理状态。高校教室都普遍存在一种状况，当不多的学生在教室自习时，所有的灯都开着，造成大量的电能浪费；而教务处老师巡课还是按照传统的人工点人数的模式为主，工作量大还耗时；当开启多媒体时，基本还是需要人工操作投影仪的开启和投影幕投下、人工关闭讲台照明和窗帘。

基于上述问题本文提出基于PLC多功能智慧教室控制系统，通过红外对射传感器模块来检测室内人数决定开启照明设备的数量并将人数显示在数码管显示模块；且通过设置一键开启多媒体设备，省去了传统的手动开启投影仪和投影幕的操作，并通过控制讲台照明灯光和窗帘达到最佳的视觉效果；晚上红外对射传感器模块作为检测模块，在布防情况下非法入侵者闯进教室时，系统会输出报警信号，整体上从以上几方面实现了智能教室的效果。

1 系统功能介绍

该系统以教室为研究载体，教室平面图如图1。

如图1所示，教室分为座位区域、讲台区域和门窗。黑色区域为学生座位，白色区域为照明设备，灰色区域为讲台。该系统主要在出入口、窗户和每个照明区域安装传感器，PLC作为系统的控制单元，负责控制照明、窗帘、多媒体设施和输出室内人数。教室在规定时段作为上课课室、自修室和安全防范课室。

当教室开启电脑时，启动投影仪，下降投影幕布，自动合闭窗帘和关闭讲台上方的照明设备，使投影仪显示效果更佳。

夜晚时，由安装在出入口的红对外管探测是否有人进出教室，PLC接收红外对射传感器的状态信息，由PLC实现室内人员计数，PLC根据统计的结果智能开启所需的区域照明，提高照明设备的利用率，大大减少电能浪费。

在进入安全系统布防时，由红外对射传感器检测是否有人员进入，进行声光报警的安全防范设置。

此外，系统把PLC的人数统计结果输出至数码管显示模块（简易文本CF160）上，方便老师登记上课人数，也方便学生晚自习时选择教室。

2 系统总体设计

2.1 系统原理框图

系统主要由红外对射传感器模块、多媒体电脑开启信号、PLC控制器及I/O拓展模块、照明设备模块、声光报警器、数码管显示模块（简易文本CF160）和电动窗帘7个模块组成。通过门前、门后两对红外对射传感器的感应数据，将探测数据传送给PLC，PLC统计数据并控制照明设备开启多少个区域的照明。当多媒体有开启信号输入时，PLC对照明灯光和窗帘进行控制，使教室达到最佳的视觉效果；而当进入安防阶段时，PLC对红外对射传感器的感应数据进行检测，从而做出对声光报警器的输出控制，系统框图如图2所示。

2.2 系统硬件组成

①PLC控制器及I/O拓展模块：该模块为系统控制核心，可通过PC/PPI电缆与电脑通信，实现编程和调试。门内外两侧红外对射传感器、多媒体开关分别与I/O拓展程序的输入端相接，控制教室区域照明、窗帘电动机、投影设备、人数显示屏、声光报警器。

②双并列红外对射传感器模块：两个红外对射传感器分别置于门内和门外，判别人是进去还是出来；先通过门内探测器再通过门外探测器就判定为出去，相反则判定为进来。[1]

③电动窗帘：电机驱动主要实现对窗帘电机正转和反转的驱动。由于PLC供电电压为24V，可通过继电器控制交流接触器，然后再控制电机的正反转。当多媒体开启时，电机正转，窗帘拉合；当检测到多媒体关闭时，电机反转，窗帘拉开。通过PLC设置电机运行时间，时间到了电机停止转动。

④投影设备：包括投影仪开关和投影幕布电动机正反转。

⑤数码管显示模块（简易文本CF160）：计数部分由PLC实现，主要是对进出人员的数目做加法或减法处理，统计的同时把分析的结果输出给数码管显示模块（简易文本CF160）。当某位显示内容欲发生变化时，进行更新显示模块，人数增加时，则可以通过数码管显示模块（简易文本CF160）显示上一个有效P参数（即P参数对应的寄存器D）對应的PLC寄存器的值，当人数减少时，则可以通过显示下一个有效P参数（即P参数对应的寄存器D）对应的PLC寄存器的值，进行人数的加减情况显示。

⑥声光报警器：主要实现在特定时间段由双并列红外对射传感器模块判断是否有人进入课室，由于PLC供电电压为24V，可通过继电器控制交流接触器，当有人在布防时间段进入课室时，声光报警器被触发，进行声光报警。

3 系统软件设计

系统由主程序和两个子程序构成，当系统上电时，首先对系统进行初始化，然后运行时间判断程序，若在06：00至18：00时间段内，则进入白天模式子程序；否则，则进入夜晚模式子程序。

其中，白天模式子程序流程图如图3。

在白天模式子程序中：一方面通过红外对射传感器和PLC统计教室的人数，当门外侧传感器有信号输入接着门内侧也有信号输入，则判断为有人进入，PLC计数程序计数加1；当门内侧有信号输入接着门外侧也有信号输入，则判断为有人出去，PLC计数程序计数减1，从而统计出教室内的总人数，将数据输出在数码管显示模块（简易文本CF160）上显示。当检测多媒体电脑开启时，自动启动投影设备，合闭窗帘和关闭的照明设备，使投影仪显示效果更佳。

夜晚模式子程序流程图如图4。

在夜晚模式子程序：首先运行时间判断程序，若在18：00-23：00时间段内，则通过红外对射传感器和PLC统计教室的人数，智能开启所需照明范围的照明设备。当教室内有人且人数小于10，区域1照明设备开启，当人数大于10，区域1和2照明设备都开启。当人数大于20，区域1、2、3照明设备开启。若在23：00至次日06：00时间段内，则强制关闭照明设备，进行安全防范布防，进行对教室内限制人员的进入。

4 结语

该系统采用模块化结构设计，以PLC為核心，由红外对射传感器、对应的控制设备和显示设备组成。该系统能实现智能控制照明、窗帘、多媒体、安防和考勤，做到节约能源、提高考勤效率和改善多媒体使用者舒适性。该系统能广泛应用各所学校内，为师生提供一个环保、便利、舒适的学习和工作环境。整体体现了创新节能的理念，不过当学生进入教室的间隔时间非常短或紧挨着的情形下，系统有可能漏记录情况出现，日后系统可沿这个方向进一步改进和完善。

参考文献：

[1]郝江城，杜志强，刘国华.室内LED智能照明节能系统的设计[J].武汉工程大学学报，2012，34（2）.

[2].桂要生，向桥，杨康.基于红外技术的智能照明控制系统设计[J].计算机与数字工程，2009，37（8）.

[3]祁松明，郑涛.面向动静态人体的被动式热释电红外探测器[J].中国住宅设施，2014（5）.

[4]谌容，胡泽，张扯拉，等.基于单片机控制的智能光控窗帘系统研究[J].电子世界，2013（9）：21-22.