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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 教室智能燈光控制系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 該系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)晚自習(xí)期間進(jìn)入教室的學(xué)生人數(shù)確定教室日光燈開(kāi)啟的數(shù)量，有效地減少了電能浪費(fèi)。學(xué)生自習(xí)時(shí)刷卡進(jìn)入教室，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)入教室的學(xué)生人數(shù)自動(dòng)增加照明燈的個(gè)數(shù)，直到燈光全部打開(kāi)。當(dāng)學(xué)生離開(kāi)教室時(shí)則由教室內(nèi)分布的人體熱釋紅外傳感器控制系統(tǒng)的工作，傳感器感應(yīng)到其控制區(qū)域無(wú)人時(shí)，則系統(tǒng)將該傳感器相對(duì)應(yīng)區(qū)域的燈光關(guān)閉。同時(shí)，學(xué)生刷卡的信息會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊傳遞到遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，方便教務(wù)部門進(jìn)行學(xué)生信息的管理。
- 詳細(xì)介紹：
- 教室智能燈光控制系統(tǒng)研究報(bào)告 當(dāng)前能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，全球都在倡導(dǎo)環(huán)保型的低碳生活方式。與此同時(shí)，“綠色發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”則是國(guó)家在“十二五”規(guī)劃中的重要戰(zhàn)略部署。然而，隨著各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)樓的燈光管理存在這樣的問(wèn)題：有的教室在自習(xí)時(shí)間空無(wú)一人卻開(kāi)著“長(zhǎng)明燈”，寥寥三五人卻將整個(gè)教室的日光燈全部開(kāi)啟，造成巨大的浪費(fèi)。以河北科大公教樓為例，全樓有120間教室，每個(gè)教室8組16盞燈具，共1920盞40W的日光燈，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)日常的自習(xí)時(shí)間上座率最高僅達(dá)到50%（一般的自習(xí)室遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的上座率），可得出全年教室自習(xí)時(shí)間消耗電能為： 消耗電能=日光燈數(shù)*單盞電燈功率*5小時(shí)（每天平均自習(xí)時(shí)間）*275天（學(xué)生在校時(shí)間）=105600KWh 。 以每度電0.52元計(jì)算，僅公教樓全年花費(fèi)電力資金就高達(dá)54912元。 為此我們?cè)O(shè)計(jì)并發(fā)明了“教室智能燈光控制系統(tǒng)”。如果推廣該系統(tǒng)在全校使用，僅科大一所高校，全年可以節(jié)約電能約23.8萬(wàn)Kwh, 節(jié)約電能資金=全年花費(fèi)電力資金*（1-自習(xí)上座率）約為10萬(wàn)余元。按照每度電排放大約0.785千克的二氧化碳計(jì)算，全年可以減少二氧化碳排放187噸。倘若此項(xiàng)目進(jìn)行多所高校推廣，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀。 該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，針對(duì)性強(qiáng)，主要功能是通過(guò)統(tǒng)計(jì)在教室中的學(xué)生人數(shù)，由單片機(jī)控制教室內(nèi)開(kāi)啟的日光燈的數(shù)目，達(dá)到按需求供給電力資源，減少無(wú)謂的浪費(fèi)，符合國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，有利于建設(shè)集約型社會(huì)，幫助青年大學(xué)生樹(shù)立環(huán)保的意識(shí)，培養(yǎng)對(duì)社會(huì)的責(zé)任感。 系統(tǒng)主要分為教室燈光控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理兩部分。 系統(tǒng)白天進(jìn)入手動(dòng)工作狀態(tài)，由教師或?qū)W生根據(jù)天氣等實(shí)際情況決定燈光是否開(kāi)啟。系統(tǒng)在進(jìn)入晚自習(xí)階段后開(kāi)始進(jìn)入自動(dòng)管理工作狀態(tài)，自習(xí)的學(xué)生刷卡進(jìn)入教室，系統(tǒng)自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)進(jìn)入教室的學(xué)生人數(shù)，并根據(jù)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)自動(dòng)決定開(kāi)啟的燈光數(shù)量，杜絕教室內(nèi)人很少而燈光全部打開(kāi)，或者無(wú)論是否有人全部長(zhǎng)明燈的情況，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)降低能耗，節(jié)約學(xué)校運(yùn)行成本的目的。 作品主要分為教室燈光控制部分和遠(yuǎn)程管理兩部分。 一、教室燈光控制部分 系統(tǒng)白天進(jìn)入手動(dòng)工作狀態(tài)，由教師或?qū)W生根據(jù)天氣等實(shí)際情況決定燈光是否開(kāi)啟，此時(shí)教師可讓學(xué)生刷卡進(jìn)入教室即進(jìn)行上課考勤。系統(tǒng)在進(jìn)入晚自習(xí)階段后開(kāi)始進(jìn)入自動(dòng)管理工作狀態(tài)，自習(xí)的學(xué)生刷卡進(jìn)入教室，系統(tǒng)自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)進(jìn)入教室的學(xué)生人數(shù)，并根據(jù)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)自動(dòng)決定開(kāi)啟的燈光數(shù)量。杜絕教室內(nèi)人很少而燈光全部打開(kāi)，或者無(wú)論是否有人全部長(zhǎng)明燈的情況，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)降低能耗，節(jié)約學(xué)校運(yùn)行成本的目的。 整個(gè)過(guò)程由以下幾方面構(gòu)成： 1、RFID模塊：主要功能是完成讀取學(xué)生校園卡信息，統(tǒng)計(jì)各教室自習(xí)人數(shù)的功能。學(xué)生進(jìn)入教室通過(guò)刷一般隨身攜帶的校園卡而換取照明裝置開(kāi)啟。方便而高效。 2、RTC模塊（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）：主要通過(guò)系統(tǒng)計(jì)時(shí)從而把握工作時(shí)間，負(fù)責(zé)保證系統(tǒng)僅在晚間固定時(shí)間工作，白天燈光的開(kāi)啟由授課教師手工完成，夜間超過(guò)宿舍熄燈時(shí)間后，統(tǒng)一按次序關(guān)閉。此過(guò)程由燒寫(xiě)的程序來(lái)完成。 3、MCU模塊：主要完成系統(tǒng)核心控制功能。內(nèi)置燒寫(xiě)程序，是整個(gè)作品的核心部件，以采集到射頻模塊傳送的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行照明裝置的動(dòng)作控制。 單片機(jī)原理圖 4、控制器：接收MCU模塊控制命令實(shí)現(xiàn)燈光控制。 5、熱感紅外控制模塊:通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)區(qū)域，如果感應(yīng)到該區(qū)域沒(méi)人，則關(guān)閉照明裝置。 二、遠(yuǎn)程管理部分： 作品的本部分是依托校園網(wǎng)開(kāi)發(fā)的一套遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。學(xué)生白天上課也實(shí)現(xiàn)刷卡，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生是否到課，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送到以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL）為核心遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，教務(wù)部門，授課教師，輔導(dǎo)員可以以此來(lái)掌握學(xué)生到課出勤情況，可以大大縮短教師上課點(diǎn)名的時(shí)間，提高教學(xué)效率。同時(shí)可以幫助輔導(dǎo)員和教務(wù)部門及時(shí)了解學(xué)生上課自習(xí)情況，提高教育教學(xué)管理水平。 本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)用了RFID射頻識(shí)別技術(shù)以及遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，以上兩點(diǎn)為同類產(chǎn)品所不具備。除了在節(jié)能方面有著突出的表現(xiàn)外，系統(tǒng)還可以統(tǒng)計(jì)到課人數(shù)、進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)管理等其他更多功能。 本作品的適應(yīng)范圍為各中小學(xué)、高校教室。應(yīng)用范圍十分廣泛。從技術(shù)推廣方面講，射頻識(shí)別RFID模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、MCU模塊、熱感紅外模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等在市場(chǎng)上廣有出售且價(jià)格低廉，便于使用方采購(gòu)。其中，MCU模塊中的程序由本作品作者負(fù)責(zé)初始創(chuàng)作，并將程序中個(gè)別參數(shù)進(jìn)行設(shè)置說(shuō)明以供使用方自己設(shè)定而增強(qiáng)作品的可移植性。射頻識(shí)別RFID模塊中的讀寫(xiě)器所讀取的數(shù)據(jù)也可由使用方進(jìn)行自由設(shè)置。而數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分則可在校方已有的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS上自行添加建立。 1.RFID系統(tǒng)技術(shù) 射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò) a.電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽存儲(chǔ)著需要被識(shí)別的學(xué)生的相關(guān)信息，通常被放置在需要識(shí)別的物品上（校園IC卡），它所存儲(chǔ)的信息通?？杀簧漕l讀寫(xiě)器通過(guò)非接觸方式讀/寫(xiě)獲取。 b.讀寫(xiě)器 讀寫(xiě)器是可以利用射頻技術(shù)讀/寫(xiě)電子標(biāo)簽的設(shè)備。讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽信息可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。 c.計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò) 在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)通常用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸功能。讀寫(xiě)器可以通過(guò)標(biāo)簽接口與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接，以便實(shí)現(xiàn)通信和傳輸功能。 2.單片機(jī)控制技術(shù) 整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)由信息輸入、數(shù)據(jù)采集、邏輯控制和顯示輸出四個(gè)模塊組成。其中，信號(hào)采集模塊主要通過(guò)RFID系統(tǒng)完成對(duì)教室中的人數(shù)等外接數(shù)據(jù)的獲取，以供以單片機(jī)為核心的控制部分進(jìn)行邏輯判斷，最終單片機(jī)將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)出控制信號(hào)對(duì)教室燈光進(jìn)行控制同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出給計(jì)算機(jī)以供教學(xué)管理。 3.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸 目前在不帶有操作系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸常見(jiàn)的方案主要就是“串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊”（又稱為串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口）。該模塊通過(guò)經(jīng)內(nèi)置MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，經(jīng)網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)打包，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)另一端網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)后通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)還原。這樣實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的功能。 4.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 數(shù)據(jù)和資源共享這兩種方式結(jié)合在一起即成為今天廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)（WEB數(shù)據(jù)庫(kù)），它以后臺(tái)（遠(yuǎn)程）數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，加上一定的前臺(tái)（本地計(jì)算機(jī)）程序，通過(guò)瀏覽器完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等操作。 在本系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生晚自習(xí)情況動(dòng)態(tài)的采集和顯示，便于管理，也可以用作教師授課的點(diǎn)名系統(tǒng)。 隨著我國(guó)財(cái)政支出在教育事業(yè)上財(cái)政不斷增大，高等教育大眾化水平進(jìn)一步提高。2010年高等教育毛入學(xué)率達(dá)26.5%，比2005年提高了5.5個(gè)百分點(diǎn)，職業(yè)教育取得突破性進(jìn)展。隨著毛入學(xué)率的逐級(jí)遞增，學(xué)校實(shí)體建筑規(guī)模必將擴(kuò)大，電力功耗也必將相應(yīng)增加。而我們的系統(tǒng)則利用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行教室智能燈光控制，不僅實(shí)用性特別強(qiáng)，而且很大程度上節(jié)省了能源。系統(tǒng)緊扣國(guó)家構(gòu)建和諧社會(huì)的理念，將會(huì)有效促進(jìn)環(huán)保型社會(huì)的建立。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 當(dāng)前能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，全球都在倡導(dǎo)環(huán)保型的低碳生活方式。然而，隨著各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。我們發(fā)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)樓的燈光管理存在這樣的問(wèn)題：有的教室在自習(xí)時(shí)間空無(wú)一人卻開(kāi)著“長(zhǎng)明燈”，寥寥三五人卻將整個(gè)教室的日光燈全部開(kāi)啟，造成巨大的浪費(fèi)。以河北科大公教樓為例，全樓有120間教室，每個(gè)教室8組16盞燈具，共1920盞40W的日光燈，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)日常的自習(xí)時(shí)間上座率最高僅達(dá)到50%（一般的自習(xí)室遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的上座率），可得出全年教室自習(xí)時(shí)間消耗電能為：105600kWh 以每度電0.52元計(jì)算，僅公教樓全年花費(fèi)電力資金就高達(dá)54912元。 為此我們?cè)O(shè)計(jì)并發(fā)明了“教室智能燈光控制系統(tǒng)”。如果推廣該系統(tǒng)在全校使用，僅科大一所高校，全年可以節(jié)約電能約23.8萬(wàn)kWh, 節(jié)約電能資金約為10萬(wàn)余元。按照每度電排放大約0.785千克的二氧化碳計(jì)算，全年可以減少二氧化碳排放187噸。 本系統(tǒng)用到了RFID智能卡技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、熱釋紅外技術(shù)、照明控制、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù).
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前對(duì)燈光的智能控制，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始采用，但對(duì)教室燈光的控制，尤其是我國(guó)教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。僅有個(gè)別的智能管理系統(tǒng)是在教室天花板中央安裝旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，使傳感器掃描室內(nèi)，從而統(tǒng)計(jì)人數(shù)和位置?；蛘卟捎霉饷羧龢O管構(gòu)成的電路檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度，然后采用單片機(jī)控制燈管的亮滅，普遍存在著管理難度大，技術(shù)難度高，成本高昂等缺點(diǎn)，對(duì)于學(xué)校教室綜合管理沒(méi)有很高的針對(duì)性，不適于在廣大高等院校推廣。 我們的作品創(chuàng)新性地通過(guò)使用RFID技術(shù)統(tǒng)計(jì)在教室中的學(xué)生人數(shù)，由單片機(jī)控制教室內(nèi)開(kāi)啟的日光燈的數(shù)目，使用簡(jiǎn)單，實(shí)用性較強(qiáng)，達(dá)到了按需求供給電力資源，減少無(wú)謂的浪費(fèi)目的。而且，校園卡的使用在校園中已經(jīng)非常普遍，具有方便簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)更增加了網(wǎng)絡(luò)模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將學(xué)生的卡上信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),方便了教師和學(xué)校教務(wù)部門的管理。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該作品在河北科技大學(xué)的校內(nèi)“挑戰(zhàn)杯競(jìng)賽”演示中進(jìn)行過(guò)評(píng)比和現(xiàn)場(chǎng)演示。 該作品在河北科技大學(xué)后勤集團(tuán)進(jìn)行過(guò)試行。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 目前沒(méi)有技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物模型 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品的適應(yīng)范圍為各中小學(xué)、高校教室，應(yīng)用范圍十分廣泛。從技術(shù)推廣方面講，射頻識(shí)別RFID模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、MCU模塊、熱感紅外模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等在市場(chǎng)上廣有出售且價(jià)格低廉，便于使用方采購(gòu)。其中，MCU模塊中的程序由本作品作者負(fù)責(zé)初始創(chuàng)作，并將程序中個(gè)別參數(shù)進(jìn)行設(shè)置說(shuō)明以供使用方自己設(shè)定而增強(qiáng)作品的可移植性。射頻識(shí)別RFID模塊中的讀寫(xiě)器所讀取的數(shù)據(jù)也可由使用方進(jìn)行自由設(shè)置。而數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分則可在校方已有的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS上自行添加建立。 隨著我國(guó)財(cái)政支出在教育事業(yè)上財(cái)政不斷增大，高等教育大眾化水平進(jìn)一步提高。2010年毛入學(xué)率達(dá)到82.5%，比2005年提高了近30個(gè)百分點(diǎn)。隨著毛入學(xué)率的逐級(jí)遞增，學(xué)校實(shí)體建筑規(guī)模必將擴(kuò)大，電力功耗也必將相應(yīng)增加。因此，本作品在節(jié)能領(lǐng)域?qū)⒂邢喈?dāng)好的前景。 倘若此項(xiàng)目在多所高校進(jìn)行推廣，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益將更為可觀。
同類課題研究水平概述
- 目前對(duì)燈光的智能控制，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始采用，但對(duì)教室燈光的控制，尤其是我國(guó)教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念楣違背。再者，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。例如摟道燈光的自動(dòng)控制等等。所有這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。于是，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，實(shí)用的教室燈光智能控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
