一个优化工厂系统和办公室热舒适性的开源“智能灯”外文翻译资料

 2022-06-01 09:06

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一个优化工厂系统和办公室热舒适性的开源“智能灯”

Francesco Salamone *, Lorenzo Belussi, Ludovico Danza, Matteo Ghellere and Italo Meroni

意大利圣朱利亚诺米拉内塞（MI），意大利国家研究委员会建筑技术研究所（ITC-CNR）

摘要：本文描述了一个以照明灯为对象的智能系统的设计、开发和实际应用过程，它被称为“智能灯”。这项研究有助于节能和优化室内热舒适性，能耗以及舒适性两项指标是重要的工作场所问题，而工人和建筑物的消耗强烈影响公司的经济平衡，所以这项研究对经济平衡有一定意义。智能灯使用微控制器，集成温度和相对湿度传感器，一些其他模块和3D打印机构建而成。这种智能设备类似于办公室通常使用的台灯，但它可以通过直接与空调相互作用来调节室内热舒适度。施工阶段后，智能灯安装在通常由四名工人占用的办公室中，以评估室内热舒适性和夏季的制冷量。结果显示智能灯的应用如何有效地降低能耗，优化热舒适性。使用DIY方法结合网站，博客和社交平台的读写功能，还可以定制，改进，共享，复制和互连技术，以便任何人都可以在任何占用的环境中使用它们。

关键词：开源;Arduino; App Inventor;DIY;物联网; 控制系统; 环境监测系统; 楼宇自动化; 热舒适性; 节能

  1. 简介

过去几年中出现了几个共享项目和低成本替代技术，使终端用户以更简单快捷的方式更接近电子设备[1-3]。尤其是用户通过自己动手（DIY）的方式，也成为这些技术的制造者，消除结构，技术和经济障碍[4]。这场运动的传播已经导致涉及总是连接到通信致动网络（即网络）的设备的扩散连接到网络并相互连接的物体，称为物联网（IoT）[5]开始技术革命。农业和工业革命之后，信息时代，即所谓的第三次浪潮[6]，借鉴了互联网的读/写功能和数字驱动的设计/制造，使普通人能够发明，设计，制造和，有时候，销售商品和服务[7]。任何地点的任何人都可以执行该原则DIY理念[8-10]通过使能技术，例如Arduino [11]或Genuino [12]。今天，像OpenMaterials [13]，Instructables [14]，Make杂志[15]，Adafruit [16]，Sparkfun [17]，Cubify [18]，Thingiverse [19]允许在制造商或爱好者之间快速分享智能，低成本和DIY基于方法的解决方案。 Creative提供的多个许可证Commons [20]允许保护项目作者的知识和创造力。在本文中DIY方法已经被应用于整合到类似于使用的台灯的智能系统中在办公室。该设备称为智能灯，可以控制室内热舒适度通过与加热，通风和空调（HVAC）的直接交互进行优化，系统安装在房间里。

几十年来，工作场所的热舒适问题仍然是一个热门话题[22-25]。研究表明热舒适可以提高居民的满意度和生产力，同时降低建筑物的能耗[25]。对问题的不同方面进行了分析，并提出了一些解决方案。最近，一些研究表明物联网方法如何应用于旨在提高用户满意度的物理环境[26]，创新项目的诞生是为了创建基于开源和硬件设备的智能环境[27]。开源方法对当前的技术产生巨大影响，并改变了许多科技公司开展业务的方式，因此也改变了我们的社会[28-30]。遵循这一路线，下面介绍的新智能设备的实施是为了防止低乘员满意度和高能耗成本，展示了这些新技术如何轻松地集成到真实的建筑环境中，并改善最终用户的福祉。该系统已经实现了大部分开源软件[31-34]。 Smart Lamp采用Arduino Mega电路板，DHT22传感器来检测环境变量（温度，相对湿度），实时时钟（RTC）模块，连接到HVAC系统的红外（IR）LED和蓝牙模块传输数据。使用3D打印机实现了适当设计的案例。就微控制器而言，几家制造商如Parallax Inc.，Coridium Corporation，FTDI，Picaxe，Arduino以及其他许多制造商已经提出了非常流行且便宜的解决方案。其中，Arduino板卡提供了一个关键优势：开源哲学（硬件和软件），它利用了围绕Arduino概念发展的庞大的非专家社区。评估DHT22传感器性能的分析[35]强调了该传感器与更昂贵的专业传感器相比具有良好的可靠性，并附有完整的数据表和校准报告。 RTC模块对于正确执行算法以及实现数据记录功能是必需的。 IR-LED将智能灯连接到HVAC系统，将蓝牙模块连接到智能手机或平板电脑。该案件是基于真实灯具的特点而建立的。某些组件是使用PowerWasp 3D打印机设计和制造的。这款3D打印机采用熔融沉积造型（FDM）技术，并使用聚丙交酯（PLA）进行打印。 PLA是由可再生资源（玉米淀粉）制成的最环保的3D可用印刷材料之一，并且与传统的石油基塑料相比，需要更少的能量来加工。

即使是开发的硬件系统也可以作为开源项目在线提供，这是一种可以访问和检查该设备如何优化热舒适性和能源消耗的方法，并依靠最终用户的参与随着时间的推移而变化。

  1. 智能灯，硬件以及软件设计
    1. 结构

智能灯看起来像一个实现主动功能的普通卤素台灯[36]、室内热舒适度的调整和通过接口与能量消耗的优化一个空调系统。该对象被选作智能控制系统集成的基础因为它可以在大多数工作环境中找到，特别是在办公室。

硬件（图1）由以下组件组成：

  • 带有“三明治连接”无线屏蔽的Arduino MEGA 2560 r3 [39,40];
  • DHT22，温度和相对湿度传感器[35];
  • 基于DS1307芯片的RTC模块[41];
  • LED IR [42];
  • 24个LED的面板[43];
  • 蓝牙模块（可选）[44]。

图1 智能灯：硬件连接图

选择基于ATmega2560微控制器的Arduino MEGA PCB是由于该设备提供了用于管理发送所需大量数据的可能性红外信号的HVAC单元。该板有54个输入/输出（I / O）（其中14个可以是用作脉宽调制（PWM）输出），16个模拟输入，4个通用异步接收器 -发射器（UART），16 MHz石英，USB连接，电源插孔，编程接头在线串行编程（ICSP）和复位按钮。

无线SD屏蔽模块允许Arduino板使用无线模块进行无线通信，将数据保存到放置在板载插槽中的Micro SD卡上。它被认为是这个屏蔽而不是Wi-Fi，因为考虑未来的升级可以通过无线传感器网络（WSN）中的射频模块（XBee S2类型）和其他设备将此设备连接到协调器。这个项目的开源方法使每个人都有可能考虑使用Wi-Fi屏蔽来代替这个屏蔽。

DHT22传感器体积小，电源电压在3.3V至6V之间。它通过一个引脚传输数据（温度和相对湿度）。它能够测量温度范围在40到80℃之间，精确度低于0.5℃，并且检测0％到100％之间的相对湿度，准确度为plusmn;2％。 传感器提供用于两次测量的完全数字校准输出。 该协议必须在实施中微控制器的固件，并且与1-Wirereg;协议不兼容。

Maxim的RTC模块是围绕DS1307集成电路（IC）开发的。 DS1307IC是一个二进制编码的十进制（BCD）低功耗时钟/日历，具有56个字节的RAM，由备用电池供电。 地址和数据通过双向I2C总线串行传输。时钟/日历提供秒，分钟，小时，日，月和年的信息。 结束月份自动调整为小于31天的月份，包括更正闰年。 AM / PM指示时钟可以24小时制和12小时制工作。DS1307有一个功率检测集成电路，用于检测电源故障并自动启用电源通过备用电池供电。

该LED是IR型，直径5毫米，其特征在于峰值波长lambda;p，等于940nm。

BlueSMiRF Gold蓝牙模块在100米内可让您轻松地传输信号。 具有25mA的低功耗并且工作电压在3.3至6 V之间。工作频率为2.402~2.480 GHz。 它使用RN-41芯片连接。 它的默认波特率为115,200。电子架构已集成在灯座中。这种选择可以防止灯泡倾翻并有效利用组件外壳的内部空间。该照明元件是一个“冷光”LED板，代替原来的卤素灯泡，以尽量减少灯的能量消耗。

智能灯的构造需要一系列调整和制造两种不同的情况：用于安装LED面板和红外发射器的外壳以及其中集成了上述元件的新基座。这两种情况均采用3D CAD格式设计，并使用带PLA的3D打印机进行打印。新的灯罩（图2）与原来的灯罩具有相同的形状，并在背面使用螺钉固定LED面板。

图2 智能灯：（a）灯壳的组装图; （b）已安装

新的底座由一个带有内部细分块的扁平圆柱体组成。最大的中央块配有可拆卸的抽屉，可以维护电子设备。

图3 智能灯：（a）底座的组装图; （b）已安装

除了放置在独立隔间（图3中的第2号）的可选蓝牙模块之外，电子组件（Arduino MEGA Arduino无线屏蔽，RTC模块和传感器DHT22）放置在此底座内（图3）。 Arduino MEGA，Arduino Shield（“三明治”连接）和RTC固定在抽屉中。 DHT22传感器的敏感元件面向外部以检测环境变量。此外，提供了一系列旨在容纳用于平衡灯的配重的小隔间。

Android设备应用程序是在MIT App Inventor（一种用于Android OS的可视化编程块语言）的帮助下创建的[45]。安装在Arduino MEGA上的无线屏蔽允许将数据记录在micro-SD卡上。蓝牙模块允许将数据发送到应用程序（图4）以显示温度和相对湿度数据并验证HVAC系统的运行状态。它使用串行端口配置文件（SPP）：蓝牙模块作为串行传输连接器工作。所有串行打印的数据都将传输到智能手机。所有数据都可以存储在云中服务器使用Wi-Fi或智能手机的数据连接。

图4 移动设备应用程序（Android OS）

虽然有其他应用程序允许您查看智能设备并与智能设备进行交互，但使用像应用程序发明者这样的“拖放式”可视化程序语言，可让无经验的新手轻松创建此应用程序并进行修改以适应特定需求。

    1. HVAC系统的管理算法

Arduino MEGA板的代码实现了图5所示的逻辑控制。系统将会连接到热电厂的电气设备，并在周五至周一晚上7点至早上7点的时间段内自动关闭。用户可以在HVAC系统工作时间手动更改操作设置。智能灯可以让人管理系统从上午7点到下午6点为最佳热舒适条件，记录室内温度，相对湿度和HVAC系统

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