阳韬 阳平华

摘要：我国高校数量众多，高校每年耗电量非常大，其中高校耗能中教学楼用电占了很大比例，在教学楼中存在很多浪费电能的现象。通过研究高校用电的特点，结合用电的实际情况，利用数据库技术、物联网技术、无线通信技术等，设计一套智慧节能教室管理平台，该平台以教务系统排课数据为依据，利用智能化的控制方法，对各教室的用电设备集中控制管理，达到智能化人性化的管理，以更高效的利用电能。

关键词：智慧节能;教室管理;无线网络;物联网;高校信息化

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）12-0051-03

节约能源问题是社会越来越重视的问题，在用电高峰期会出现一些地方供不应求而断电的现象。大城市的一些社会服务部门，机关部门，工厂等的断电会造成巨大的损失，节约用电能够在一定程度上减轻社会的用电负荷，降低断电等情况的发生。

据教育部的数据显示，全国高校共计2956所，高校的用电设备多，每年耗电数量巨大。大部分的高校都存在电能浪费的现象，主要集中在教学楼、图书馆等场合，因为高校的管理相对比较宽松，教室无人灯常亮，空调工作的现象经常出现，浪费了大量的电力资源。

近年来备受关注的高校用电监管尤为重要。这项研究主要是以华南理工大学广州学院节能监管平台建设为基础，基于学校用电现状设计节能实时监测和控制的平台，实现节能监管平台信息专用传输，通过节能监管平台得到的数据分析挖掘校园建筑的节能潜力，为高校校园的节能改造工程提供有力的技术支持和丰富的数据依据。

智慧节能教室管理平台主要是体现智能自动控制，学校加入该系统的设备都能够实现统一管理，根据学校的课表排课数据，临时调课数据，以及教学楼管理员的超级账户权限，可以实时的管理，以达到节约电能，保证电能高效利用。

目前由很多教室用电设备的管理系统，对设备要求较高，教室的用电设备控制需要通过布线的方式来实现。教室的大部分用电设备只能实现开关状态的控制，不能对用电器的状态实时的远程查看。很多高校要实现用电设备集中式的管理，都采取有线的控制方式，对控制设备需要布线，很难集中式的管理，尤其是对于一些比较老的教学楼，需要重现布线，线路改造非常复杂，工作量很大。另外有线的控制方式会增加系统的成本，浪费资源。有线的方式会存在线路问题，在大量的设备和线路中如果部分设备出现问题，很难查找问题。

因此研究一套通用的基于无线网络的智慧节能管理平台具有非常重要的意义，可以应用于绝大部分教学楼，对教室原有线路做细小的改动，省去布线的麻烦，就能远程集中监控和管理用电设备。

1系统整体框架

基于无线网络的教室节能管理平台，利用无线网络传输控制信号，对教室中的用電设备控制管理，该管理平台从后勤管理中心到教室里的用电设备，实现一种基于无线网络和学校有线局域网相结合的大型教室节能管理系统。

管理平台包括后勤管理中心，教学楼控制台，楼层控制节点，教室中继结点，教室内用电器节点等，管理采用分布式控制模式。教务系统、后勤管理中心、教学楼控制台以及各层楼的控制节点之间采用的学校的有线局域网传输信号，各层楼的控制节点与教室内部控制节点之间通过无线zigbee网络传输信号，整体控制框架如下图1所示：

2系统结构设计

节能管理平台基于节能的需要，在设计上要体现节能控制的功能，系统在整体硬件设施的基础上，软件完成控制功能，根据预先设的控制方法对教室中的用电设备完成自动控制，系统选用的低功耗的zigbee网络传输控制信号，实现对教室用电设备的控制。在实际运行的过程会有多种情况，比如某些教室需要临时开会或者临时调课的情况，因此每个教室的设备应该有多种控制模式，本系统设置三种控制模式：

（1）自动控制模式：系统运行后的默认模式，后勤管理中心根据教务系统的排课数据，对各个教室中的用电设备统一管理。当该教室有课将提前开启教室的灯和多媒体讲台，在夏季根据设置温度等情况开启教室的空调，在下课如果教室下一节没有课，会在下一节课时间关闭教室中的用电设备。后勤管理中心可以实时的调整每个教室的用电设备的状态。

（2）独立控制模式：在自动控制模式下，每个教师通过后勤系统录入数据后，可以验证指纹后将所在教室设置为独立控制模式，教师有权限对教室中的用电设备控制，通过每个教室内的人机触摸屏和开关控制。

（3）智能控制模式：在自动控制模式开启的前提下，可以切换到智能控制模式，在系统预设值参数的情况下，可以根据设置的参数如温湿度、光照强度等决定是否开启教室中的日光灯或者空调等设备。

2.1后勤管理中心

后勤管理中心的机房服务器运行了整个学校用电系统的管理软件，可以远程实时地对每个用电单位（主要是教室）的每台用电设备（电灯、空调、多媒体设备）进行控制，可以实时获取每个设备的工作状态和工作环境的状态，在后勤管理中心可视化显示。后勤管理中心主要是由管理主机，大型电子显示屏组成，运行了数据库和管理软件。

后勤管理中心和教务系统数据对接，能够实时的获取所有教室排课情况，能够根据各个教室的上课安排，发出控制指令，对各个教室的设备进行控制。

后勤管理中心软件功能结构如图2所示，包括数据生成、教室管理、环境监控、数据统计、通信模块、设备控制以及人机交互等模块。

数据生成：采集教务系统的排课数据，外部导人控制数据，或者临时调整数据，生成教室的控制数据。

教室管理：管理学校的各个小区，每个教学楼以及教室。

环境监控：主要是教室内部的传感器监测室内光照强度和温湿度，这个数据传输到管理中心，作为控制每个教室电灯和空调开启的依据。

数据统计：统计每个教室，每栋教学楼的耗电情况，会生成日周月年耗电表，管理者可以在管理中心查看。

通信模块：完成与教务系统通信，与各教学楼控制台的通信。

设备控制：控制每个教室节点的状态，有智能控制模式和课表优先控制模式。

人机交互：在后勤管理中心用大屏幕显示，整个系统的状态，包括各个教学楼的运行状态，各个教学楼的每个教室的状态，还有子菜单显示教室中每个设备的状态，可以通过在操作台进入各个子菜单查看数据和显示状态。

2.2教学楼控制部分

教学楼控制台主要是台式电脑组成，与后勤管理中心通过有线网络连接，教室内节点通过传感器将检测到室内数据（温湿度，光照强度等）传到后勤管理中心，后勤管理中心软件根据教室环境数据和排课信息，生成控制数据发送到各个教学楼控制台存储在本地，最后发送到各层楼的节点。

各层楼节点主要以stm32F407为核心，设置了以太网接口和zigbee无线网络接口，电路结构如图3所示，zigbee网络接口以cc2530为核心，以太网接口主要是通过网络接口芯片LAN8720来实现。楼层节点接收到控制数据包后，解析成各教室的控制数据，通过zigbee无线网络发送每个教室。Zigbee网络主要是以协调器、路由节点和终端节点的结构，楼层节点作为协调器，以cc2530为核心产生无线zigbee网络，有一个PA-NID，每层楼教室的控制节点可以通过这个PANID连接到这个网络，接收信号。

3教室控制部分

3.1教室中继节点

教室控制节点电路结构如图4所示，节点电路由cc2530为核心，通过UART口连接人机组态触摸屏，cc2530编程实现modbus协议与人机触摸屏通信，可以输入设置信号和控制，同时可以显示每个教室环境数据如温湿度和光照强度等，教室控制节点在ZigBee网络中充当路由节点的作用，能够起到信号的桥接作用。

教室控制端可以进行模式的切换，教师进入教室后，需要调整教室用电器工作状态的，可以在门禁系统刷入指纹识别后，可以在人机触摸屏设置控制参数，教师设置的数据会传输回到后勤管理中心记录。

3.2设备控制终端节点

系统最终的控制对象主要是教室的设备，包括教室门锁开关，多媒体讲台，教室空调和电灯等，所有的这些用电设备都作为控制终端节点，每个教室中都会安装温湿度传感器和光敏传感器检测教室内的信号作为检测终端节点，传感到二级控制节点，最后可以传回后勤管理中心。

所有的终端节点都是以cc2530为核心，通过10端口PO和P1进行输出控制，以74LVC245作为驱动，通过光耦隔离芯片6N137，控制继电器，最后实现对灯和风扇、空调、门锁、多媒体讲台控制，教室中继节点通过无线zigbee网络向各个节点传输控制数据。

3.2.1门禁控制节点

教室的门锁开关作为zigbee网络中的一个终端节点，结构如图4所示，以cc2530为核心，通过继电器控制门锁的开关，在教室有课会提前自动打开教室门锁，当教室没有课情况下，只要门被拉合会自动锁上，但是可以在内部通过开关打开教室门锁，这样防止学生被锁在教室内。

在教室没有课的情况下，只有管理人员有权限，从外部打开教室门锁，这样既可以保证教室内部到人不会锁住，同时也能够在教室内没有人的情况下，教室外面到人不能够随意进入。系统可以添加教师权限，学校所有教师可以通过录入指纹到后勤管理系统，如果某个老师在某天在哪个教室有课，后勤系统则会下发这个指纹数据到对应的教室控制端，这个老师则可以通过指纹打开这个教室的门。

3.3.2多媒体讲台节点

多媒体讲台也通过系统控制，如图5所示，以cc2530为核心，作为一个zigbee网络的终端节点，当某个教室有课时，该教室接收到上课的控制信号后，提前打开多媒体设备电源，发出启动多媒体设备信号进行控制，同时这个节点通过光敏传感器采集室内的光照强度信息，决定是否需要开灯。

3.2.3空调控制节点

空调控制终端如图7所示，以cc2530为核心，作为zigbee网络的一个终端节点，接收到啟动空调的控制信号后，首先是启动空调电源，再与空调控制板建立通信连接，发送控制信号，让空调工作在相应的模式，控制相应的温度等，同时这个终端上面带有温湿度传感器，可以采集教室内的温湿度，将温度信息返回后勤管理端，后勤管理中心决定是否需要开启空调。

4总结

本系统实现了后勤管理中心对各个教学楼的设备远程控制和管理，并且能够实时监测受控用电设备的状态和教室的环境，后勤管理中心针对各个教室的环境，根据学校教务系统课表数据库各个教室的设备进行控制。

基于无线网络的智能教室管理系统，省去了布线的麻烦，安装布置方便快捷，通过教务系统和后勤系统的管理控制，能够有效地控制各个教室的用电设备，节约更多的电力资源，让电力资源更加高效的服务于高校管理和教学。