本项目设计了一种基于人工智能的办公室节能降耗系统。实现对电能消耗的节能和对太阳能的收集利用。该系统可大大提高电能有效利用，减少电能损耗并对太阳能收集利用。该系统具体包括四个子系统，分别是照明灯节能系统，空调节能系统，办公电器定时开关机系统，太阳能收集利用系统。控制采用MSP430低功耗单片机实现，既满足整个系统控制的需求，又可以实现低功耗。
一、项目背景
随着能源危机和温室效应的加剧，节能减排的概念日益深入人心。然而在日常生活中，能源浪费随处可见。本着提高能源利用率，减少能源浪费的原则，项目组成员悉心观察，选定小型办公室作为研究对象，探究如何提高整个系统的能源利用效率，最终决定通过智能控制的方式实现小型办公室节能减排。 二、 项目总体设计方案2.1 项目总体设计方案图 1系统总体设计框图 该系统共有四部分组成，分别是照明灯节能系统，空调节能系统，办公电器定时开关系统和太阳能收集利用系统。各系统协调工作，共同完成节能降耗。 2.2 照明灯节能系统设计图 2照明灯节能系统框图 首先，照明材料采用新型LED灯，具有效率高，控制方便的优点。通过对比传统的白炽灯和新型LED灯数据(见表一)可以发现，LED灯电能利用率高，同样照明情况下，耗电量仅为白炽灯泡的十分之一，非常具有推广价值。目前，部分企业开始推广LED灯及其配套解决方案。以TI公司为例，前不久推出的PMP4325驱动方案，宽电压输入范围，3~4个LED照明灯，功率可达4.2W，效率可达81%，照明效果相当于传统的40W白炽灯。节能效果非常明显，单纯的增加LED照明灯数量就可以解决很多场合的照明问题。 表一 白炽灯和LED灯数据对比 照明灯节能系统能够自动控制照明系统的工作，做到“按需调整”。改良了传统的照明灯的机械式开关控制。采用热释红外人体探测技术，将探测器的输出信号送至中央控制环节，进而控制主电路的导通与切断。这样既能保证室内灯光亮度，又避免了因为人为疏忽导致的“长明灯”现象发生。其次，通过光强传感器采集室内光照强度，进而通过调压方式控制LED灯的亮度，在室内亮度过高情况下直接关断照明灯。在软件上，通过一定算法实现扰动消除，保证系统可以稳定运行。 2.3 空调节能系统设计图 3空调节能系统框图 本项目设计了半导体制冷小型空调，探究半导体制冷在小型办公环境下的应用与实现。半导体热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。由于半导体主要由N 型半导体和P型半导体组成。N 型材料有多余的电子，有负温差电势。P 型材料电子不足，有正温差电势；通过给半导体通电，导致内部电子运动，产生温度差。以该项目中应用的C1206为例，其详细参数见表二。如此体积的半导体片可以产生57.6Qc 的制冷量，随着工艺改进及散热系统完善，半导体制冷有很大应用价值。 图 4 半导体制冷原理图 表二 半导体C1206详细参数 空调节能系统可以自动控制空调的工作，提高能源利用效率，避免空调不当使用造成电能的浪费，从而实现节能降耗的目的。空调节能系统是基于传感器检测，模拟人工智能以达到自动控制的目的。空调运行前会检测窗户是否关上，并提醒操作者，减少能量的耗散。在空调运行过程中，系统会通过热释电检测室内是否有人，如果没有人，系统会通过温度传感器检测室内温度，进而把温度控制在设定值，防止出现室内无人而温度过高或高低造成不必要的浪费。如果热释电检测到室内有人，则遵从用户的设定。该功能可由用户选择是否开启，并且可以通过遥控器方便操作。 2.4 办公电器定时开关机系统图5 办公电器定时开关机系统框图 办公电器定时开关系统旨在对一系列办公电器设置自动开关以实现节能降耗的目的。像热水器，碎纸机等办公电器基本上只有在上班期间才能用到，可以设置自动开关机，防止人为忘记关闭而造成的能源浪费。该系统采用掉电不丢失的时钟系统，通过读取时钟值，给控制系统发一系列控制信号，在早晨自动打开电器，下班后自动关闭，有效降低能耗。 传统的用电器设备只有机械开关，只能通过人的控制去完成用电器的开通和关断。该系统加入智能控制，通过采集时间信号决定电控开关的控制。可以避免人为疏忽造成的能源浪费。另外，该系统设计了一个应急开关，当电控开关不工作的时候，通过选择电控开关来实现系统运行。将只能控制的概念引入到该系统中，既可以实现能源的节约，同时不影响机器的正常使用。 2.5 太阳能收集利用系统图6 太阳能追踪系统框图 太阳能收集利用系统可以收集太阳能并储存起来，作为应急电源，在紧急情况下可以给应急灯供电。太阳能取之不尽，并且完全清洁，是一种理想的能量来源。该系统包含太阳能采集模块和储能模块。该系统把太阳能转化为电能，降低了电能的消耗，充分利用太阳能是节能减排的有效措施。
由于固定的太阳能收集系统对太阳能利用率比较低，该项目中设计了高效的太阳能随动系统进行太阳能的收集，考虑到舵机云台的成本和区域性。太阳能跟踪设计为单自由度，角度根据地域特征提前固定，太阳能电池板可以随时间追踪太阳，提高太阳能利用效率。 三 项目硬件实现硬件电路搭建是实现系统功能的基础，该系统主要包含的硬件模块有：电源模块、控制器模块、传感器模块、人机界面模块、电压调制模块和太阳能跟踪模块。各模块相互配合，实现系统功能。 3.1 电源模块设计该系统电源管理系统较复杂，系统中电源有交流电220V，直流电12V，6V，5V，3.3V。由于各模块对电源的具体要求不同，需要根据模块特点设置其供电电源。开关电源供电模块，是将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。其特点是纹波较大，但其带负载能力较强，可以提供较大电流。线性电源供电模块，将220V的交流电经过变压器，变换成9V左右的交流电，经整流，滤波，稳压得到的直流电压给负载提供电能。线性电源电压稳定度及负载稳定度高，输出纹波电压小，电路的瞬态响应速度快，电路结构简单，没有高频干扰。 本系统采用成品的反激式开关电源作为主电源，提供足够的电流。部分模块电路单独制作线性电源，高精度、低纹波的线性电源可以满足各模块供电需求。 图7 系统中线性电源原理图 3.2 控制器选择采用MSP430低功耗单片机作为主控部分，51单片机作为辅助控制器。MSP430单片机是TI公司主推的一种低功耗单片机，供电电压3.3V，功耗低，可以进入休眠模式。另外，MSP430单片机具有丰富的GPIO，内存和中断资源，可以满足系统中所有外围器件的驱动。丰富的中断资源也为系统控制提供了便利。系统中需要模拟电压的测量和采集，可以通过MSP430单片机内部的AD进行采集，完成实验。
图8 主控制器原理图 3.3 传感器信号采集(1) 热释电红外检测传感器： 热释电传感器采用PIR菲涅尔原理，具有低功耗的特点，静态功耗仅为50uA.并且热释电工作电压范围比较宽，在直流4.5-20V之间都可以工作。热释电触发方式可分为重复触发和不可重复触发。触发时的感应距离为7米，感应角度为110度，适合安装家庭或办公室等环境。 热释电的主要应用范围有安防产品，人体感应玩具，人体感应灯具，工业控制自动化等。热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 热释电传感器在该系统中的应用是检测办公室有没有人，在没有人的情况下，切断照明灯电源，或者控制空调温度，达到节能降耗的目的。
(2) 光强检测传感器 BH1750FVI 光强传感器模块采用ROHM芯片，供电电源为3-5V，光照度检测范围是0-65535 lx, 传感器内置16位AD，直接数字输出，省略定标和复杂计算。控制器可以通过IIC协议读取当前光照数据。 (3) 行程开关检测 行程开关用于检测办公室系统窗户是否关上，进而决定空调是否可以开启。行程开关头部有个碰触开关。在未发生碰触时，电路处于断开状态，一旦行程开关发生触碰，传送给控制器，相应控制位置低，可以控制空调开启。 3.4 人机界面设计在该系统中，需要进行人机交互。一方面，系统信息要通过显示器件显示出来，以供操作者参考；另一方面，操作者可以通过按键输入，改变系统参数。人机交互是系统中重要的一部分。 键盘作为系统的输入，是重要的人机界面之一。我们可以通过键盘输入控制系统工作的指令，方便操作。
3.5 调压电路在照明节能系统中，照明灯的亮度会根据周围光亮情况变化，照明灯的亮度可以通过调整照明灯电压来实现。 调压电路通过调制PWM，送到驱动模块，最终控制MOSFET的通和断，来实现电压调节。本质上，该调压电路是一个Buck电路，通过调节PWM来改变输出电压，最终达到调节光亮度的目的。
3.6 太阳能收集太阳能是一种取之不尽的纯净能源，该系统采用太阳能收集的方式来提高能源利用效率。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。通过舵机云台控制太阳能电池板的角度和转向，进而提高太阳能利用效率。将太阳能转换为电能之后，储存在蓄电池里，作为备用电源或应急电源。 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 四 软件算法软件算法在该系统中是支撑系统运行的基础，没有合适的算法，也无法实现系统的智能控制。合适的算法保证了系统正常运行。 太阳能跟踪系统单独控制，收集电压可以做应急电源使用。 五、 结语
能源问题一直是备受关注的难题之一，作为高效的二次能源，电能使用广泛，在日常生活中不可或缺。然而，电能的浪费也是不容忽视的。一方面我们要培养节能减排意识，增强节能观念。另一方面，要通过科学的手段进行节能。该项目提出了基于智能控制的办公室节能降耗系统，可以通过先进的智能控制实现能源的节约。
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