姚勇 吳田

湖北第二師范學(xué)院 湖北武漢 430205

伴隨經(jīng)濟高速發(fā)展的同時能源消耗也與日俱增，其中高校逐漸成為用電大戶。在全國的節(jié)能工程中，高校節(jié)能對帶領(lǐng)社會樹立節(jié)能意識和促進經(jīng)濟發(fā)展起著重要的作用。由于照明系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備原因，人工手動控制教室燈光會出現(xiàn)各種各樣的問題，例如忘記關(guān)燈，就會出現(xiàn)高校教室存在著“人走燈未關(guān)”的情況,也會出現(xiàn)“長照明”“人少燈多”等浪費用電現(xiàn)象。由此可以得出高校中能源浪費嚴(yán)重，特別是教室內(nèi)的燈光控制。相對于有效利用量，損耗量則占了較大的比重。另外，各高校的照明系統(tǒng)也有待更新[1-3]。因此使用更加節(jié)能、綠色的照明裝置和照明系統(tǒng)，成為現(xiàn)如今各高校改變現(xiàn)狀的重要方向和手段。如何解決高校能源損耗這一重大難題，設(shè)計完備有效的智慧教室照明監(jiān)測系統(tǒng)成為最有效的途徑。

針對上述問題，本文提出智慧教室中照明監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)人數(shù)的分布以及光照的強弱來實時、動態(tài)地控制教室的照明，可最大程度上實現(xiàn)節(jié)能。本系統(tǒng)可以廣泛地運用于教室、辦公室、廁所及圖書館等公共場所。不僅可以減少對教室內(nèi)照明管理的人工成本，還可以減少能源的浪費，實現(xiàn)節(jié)能減排綠色照明的要求。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計是以STM32為控制器的一個智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，還包含著人體紅外監(jiān)測模塊、可見光強度監(jiān)測模塊、LED模塊、OLED顯示模塊等。該系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

2 模塊功能設(shè)計

2.1 處理器模塊

根據(jù)課題需求并結(jié)合各型單片機的綜合性能，本課題采用STM32型單片機作為控制器。STM32系列單片機具有許多優(yōu)于51單片機的性能，它具有較高的性能、高速率、較好的性能以及較低的成本，同時它的集成度也非常高，工作功耗較低，并且可實現(xiàn)產(chǎn)品化等優(yōu)點，為此可以得到廣泛使用。在此基礎(chǔ)上，采用STM32F103C8T6作為主控制器，并結(jié)合其他的功能模塊，進行智能管理。STM32F103C8T6單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振電路、復(fù)位電路、啟動模式電路等。

2.2 人體紅外監(jiān)測模塊

人體紅外監(jiān)測模塊通過紅外監(jiān)測模塊，采用光電開關(guān)傳感器工作原理：發(fā)射器會發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)監(jiān)測方向遇到障礙物時，紅外線發(fā)射回來被接收管接收。通過借助紅外線來監(jiān)測、判別物體的紅外傳感器，同時具有穩(wěn)定、抗干擾性強、綠色節(jié)能等優(yōu)點。

光電開關(guān)傳感器由接收管和發(fā)射管兩部分組成，LED紅外發(fā)射管和接收管都是一個二極管，他們的功耗都是70MV，正向電流限大30MA，反向電壓限大5V。紅外傳感器是監(jiān)測人類或動物存在的優(yōu)秀設(shè)備，其外形尺寸小，設(shè)計堅固，可用于低成本的監(jiān)控。紅外傳感器通常和其他各種模塊進行組合來實現(xiàn)各種各樣的功能，如醫(yī)療保健、智能能源系統(tǒng)和安全、觸發(fā)入侵者警報、在人出現(xiàn)時啟動家用電器和智慧教室等。本文展示了僅使用一個紅外傳感器，它結(jié)合信號處理，就可以清楚地估計教室內(nèi)的人數(shù)。此外，硬件和軟件資源被用來解決市售通用微控制器和傳感組件的有限計算能力，以降低整個紅外系統(tǒng)模塊的成本。該應(yīng)用領(lǐng)域可以擴展到任何一個領(lǐng)域，在本次的智慧教室監(jiān)測系統(tǒng)中利用紅外傳感器來監(jiān)測教室內(nèi)人數(shù)。紅外傳感器的種類也有許多，例如：避障紅外傳感器、循跡紅外傳感器、遙控紅外傳感器、火焰報警紅外傳感器等。

采用最為常見的避障紅外傳感器來實現(xiàn)人數(shù)監(jiān)測的功能。這種監(jiān)控方法可以根據(jù)人體釋放的紅外信號變化很容易判斷出是否有人，而且人體紅外傳感器價格低廉，信號處理簡單。當(dāng)發(fā)射管發(fā)射信號時，如果此時沒有人，同向輸入端的電壓VCC，而反向輸入端的電壓由于加入了分壓器，所以VfV-，所以輸出的是高電平。當(dāng)遇到人時，發(fā)光二極管是截止?fàn)顟B(tài)，此時監(jiān)測的是低電平(GND)。反向輸入端Vf>GND，此時輸出低電平，則導(dǎo)通。

2.3 可見光強度監(jiān)測模塊

可見光強度的監(jiān)測，通常利用光照傳感器來監(jiān)測光照的明暗程度。本次系統(tǒng)將使用光敏電阻監(jiān)測模塊來監(jiān)測室內(nèi)的光照。常用的光敏電阻即硫化鎘光敏電阻器是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線的強弱變化而變化，在黑暗條件下它的阻值可達(dá)1～10兆歐,在強光條件下，它的阻值僅僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性與人眼對可見光的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。

本系統(tǒng)做了一個光敏電阻和電壓比較器，電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運算器。盡管本設(shè)計中只是用了其中一個比較器，由于芯片價錢不高，而且待用單元可供今后系統(tǒng)的更新拓展，這也是硬件設(shè)計的基本原則。

2.4 OLED顯示模塊

OLED顯示器是發(fā)射型的，可以產(chǎn)生光，一個OD顯示屏由多層薄膜堆和一個圓形偏振器組成，可以減輕環(huán)境光發(fā)射，每個像素都可以單獨開啟，需要多個薄膜晶體管來確保穩(wěn)定的電流流動。在色彩飽和度方面OLED顯示器覆蓋100%的Adobe RGB,可以提供更好的圖像質(zhì)量。它的響應(yīng)時間非常迅速，沒有運動模糊。OLED顯示器相對于LCD更加薄，更為靈活。因為它們有更少的組件，且不需要背光，有一個固體而不是模塊化的結(jié)構(gòu)。在OLED顯示模塊中執(zhí)行著顯示教室內(nèi)人數(shù)和光照強度的功能，把通過紅外傳感器和光敏電阻測得的數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上。

3 方案論證

3.1 智慧教室節(jié)能照明實現(xiàn)方案論證

對于智慧教室照明監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，需要解決兩個關(guān)鍵的問題。一個是監(jiān)測人數(shù)，另一個是監(jiān)測自然光的強度。圍繞著這兩個方面，然后按照所要實現(xiàn)的任務(wù)，模塊化地進行設(shè)計實現(xiàn)，從而確定不同的功能模塊，最終通過一定的方式進行連接。系統(tǒng)包含了系統(tǒng)核心STM32單片機以及輸入用于監(jiān)測人數(shù)的紅外線監(jiān)測電路和用于監(jiān)測光照強度的光照監(jiān)測電路。對于系統(tǒng)的輸出是根據(jù)監(jiān)測教室情況而調(diào)整教室內(nèi)照明的LED指示電路、用于顯示監(jiān)測的人數(shù)、光照的強度的OLED顯示電路以及繼電器執(zhí)行電路。最終則是通過繼電器的執(zhí)行電路來進行判斷是否需要開燈，從而實現(xiàn)教室內(nèi)光照的智能自動調(diào)控。通過流程圖將更為清晰、簡明地描述系統(tǒng)方案的實現(xiàn)，通過流程圖的繪制和描述加深對系統(tǒng)功能的理解。

本方案的特別之處在于首先可以通過紅外傳感器監(jiān)測教室內(nèi)的人數(shù)，這里不僅起著判斷是否有人的作用，同時起著監(jiān)測人數(shù)的作用。其次，它的可見光強度的監(jiān)測和調(diào)光電路都有不同之處。在初始化的同時設(shè)定一個光照閾值E0，當(dāng)測得當(dāng)時的光照強度E后，與E0進行比較，如果E

3.2 人數(shù)監(jiān)測電路方案論證

在本系統(tǒng)中對人數(shù)的監(jiān)測是首要環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了這個系統(tǒng)“以人為本”的理念。在通過監(jiān)測人數(shù)之后，既起判斷教室內(nèi)是否有人的作用，又能起著監(jiān)測教室內(nèi)的人數(shù)的作用,為后續(xù)的光照的監(jiān)測或關(guān)燈做出一個初次的判斷。同樣，人數(shù)的監(jiān)測在公共設(shè)施和健康安全的監(jiān)控、進出人員的管理、軍事活動等方面有著重要的意義。但是一般的人數(shù)統(tǒng)計和監(jiān)控花費較大，既要消耗大量的人力，還耗費大量時間，同時不但資源人力成本高，而且人在長時間工作狀態(tài)下會有所疏忽。為此，通過研究員們大量的研究，實現(xiàn)了多種人數(shù)監(jiān)測方案，本文選取了最優(yōu)方案來講解。

本方案是通過紅外避障傳感器來監(jiān)測人數(shù)，紅外避障傳感器具有一對紅外發(fā)射和接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當(dāng)傳感器的監(jiān)測方向遇到障礙物時，紅外信號發(fā)射回來被接收管接收，經(jīng)處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。因此可以利用兩個紅外傳感器來監(jiān)測人數(shù)，在教室門的內(nèi)外各安裝一個，人進出門時兩個傳感器監(jiān)測到人的先后順序不一樣，從而對人進行加一減一的計數(shù)操作。從而得出進入教室的人數(shù)和走出教室的人數(shù)。然后通過進入的人數(shù)減去出去的人數(shù)，最終得出教室內(nèi)的總?cè)藬?shù)。本方案反應(yīng)靈敏，而且價格低廉，是最適合普及使用的。

3.3 可見光強度監(jiān)測電路方案論證

目前在光照監(jiān)測技術(shù)上常用的一些光電監(jiān)測器件有光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等，選擇光照傳感器可根據(jù)下表進行比較。

光電監(jiān)測器性能比較表

光照傳感器可以靈敏地監(jiān)測光照和溫度情況，它可以用來監(jiān)測室內(nèi)或一些公共場所的光照，用來滿足所需要的功能。其中使用比較普遍的分別是光敏電阻模塊監(jiān)測和光敏二極管模塊監(jiān)測。這兩個模塊的功能基本上一致，都可以感應(yīng)環(huán)境的亮度，作為簡單判斷是白天還是黑夜，是陰天或者晴天。例如，在農(nóng)業(yè)大棚中，通常利用它來監(jiān)測一天中的光照，可以更好地促進蔬果的生長發(fā)育。此外，室內(nèi)燈光的控制，可以根據(jù)不同光線，來調(diào)控室內(nèi)的照明。如在昏暗的雨天，通過監(jiān)測此時較暗光線，再根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來決定室內(nèi)的照明，也是一個較好的方法。同時光敏電阻和光敏二極管都有相同的引腳，從左到右分別是VCC、GND、DO、AO，而且都是低電平出發(fā)。

光敏二極管又叫感光元件，光敏二極管與二極管的構(gòu)造相似，它的內(nèi)核是一種 PN結(jié)，它的感光性質(zhì)是單方向?qū)щ?，所以需要在工作時加入一個反相電壓。另一方面，光電二極管監(jiān)測方案使用一個光敏二極管來監(jiān)測光的強度。由于光電二極管具有高帶寬和光電流與光強度之間良好的線性關(guān)系的特點，因此可以根據(jù)它的光監(jiān)測特點，設(shè)計一個簡單的光監(jiān)測電路。

3.4 系統(tǒng)驗證

基于STM32智慧教室照明監(jiān)控系統(tǒng)是通過人數(shù)監(jiān)測模塊和光照強度監(jiān)測模塊采集當(dāng)前教室環(huán)境內(nèi)的人數(shù)與光照強度的數(shù)據(jù)值，與預(yù)先設(shè)置好的人數(shù)和光照閾值進行比較，從而執(zhí)行系統(tǒng)的功能。本次系統(tǒng)設(shè)置了兩個閾值：首先是人數(shù)，當(dāng)人數(shù)為people：0，此時表示教室內(nèi)無人。此時，不管教室內(nèi)的光照是強還是弱，教室內(nèi)的燈光都將處于關(guān)閉情況。其次是光照閾值為Light：30%。當(dāng)人數(shù)大于零時，表示教室內(nèi)有人。當(dāng)光照強度大于30%時，表示教室內(nèi)光照較強，則不需開燈。當(dāng)光照強度不足30%時，表示教室內(nèi)光照較弱，則需要開燈，如圖2所示。

圖2 教室內(nèi)有人，且光照較弱的情況

4 結(jié)論

本論文設(shè)計了一個利用STM32作為控制器的智慧教室照明監(jiān)測系統(tǒng)，能根據(jù)人數(shù)以及光照的強弱來實時、動態(tài)地控制教室內(nèi)的照明。首先，對系統(tǒng)的實現(xiàn)做了一系列的論證，列舉了三種有待實現(xiàn)的方案。通過對三種方案的分析，有層次地對系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而得出最有效的方案來實現(xiàn)教室照明的智能控制。接著對人數(shù)監(jiān)測方案和可見光強度監(jiān)測方案進行論證分析，最終確定了通過紅外傳感器監(jiān)測人數(shù)和通過光敏電阻來監(jiān)測可見光。同時，也進行系統(tǒng)硬件設(shè)計的分析，對處理器模塊的STM32控制器、人體紅外監(jiān)測模塊的紅外傳感器、可見光強度監(jiān)測模塊的光敏電阻都進行了介紹，最后進行了系統(tǒng)的軟件和硬件的調(diào)試。智慧教室照明監(jiān)測系統(tǒng)有以下功能：當(dāng)教室內(nèi)無人的時候，不管教室內(nèi)照明強度如何，燈光都將關(guān)閉；教室內(nèi)有人時，如果教室內(nèi)的光照較為昏暗，那么開燈補光；教室內(nèi)有人時，如果教室內(nèi)的光照較為強烈時，那么燈光關(guān)閉。這個設(shè)計滿足了高校智慧照明的需求，用比較靈敏的傳感器智能監(jiān)測，能夠?qū)崟r、動態(tài)地判斷人數(shù)和光照，實現(xiàn)對教室照明的智能控制，從而達(dá)到綠色節(jié)能的目標(biāo)。