基于物聯網的教室燈光節能控制系統

天津職業技術師范大學電子工程學院 張 野 王 翔 李陳紅 房佳辰

0 引言

現在學校教室、圖書館等場所普遍存在“長明燈”現象以及空調、風扇常開，造成費電的現象。為了解決此現象，提出采用STC單片機設計，將教室分為幾個區域，每個區內裝有人體存在探測器，探測區域內是否有人當光強不足時，采集相應參數，進行整理分析，通過串行口傳送到WIFI模塊，最終呈現在網頁上。此方案效果較好，可以對教室的燈進行分區控制，避免在光照不足，人數不多時開啟過多的燈，造成浪費現象，是較好的節能方法。

1 系統總體構成

1.1 系統的總體設計

本文設計的教室智能燈設計是以單片機作為教室檢測控制單元的核心控制器，對教室進行分區域控制。整個設計使用電力串口來接通電源，保證只要在220V正常供電的情況下就能工作。系統在各區域內分別安裝光傳感器和人體感應傳感器，實現對室內光強及人員流動情況的監控。并把數據返回到各個分區的單片機進行整理，再傳到一個總的單片機，在這個單片機內把各分區單片機內的數據綜合，再由WIFI模塊上傳到網頁上進行監控。總體設計如圖1：

圖1 系統總體設計圖

此系統設計既考慮到不同區域的人員流動又考慮到區域之間的光照亮度的不同，按照不同區域分區管理使各個區域之間可以得到較好的安排。又不浪費資源，在最大的限度下使資源得到最好的利用。為了更好說明，本系統對教室分為4個區域。

1.2 區域的劃分

教室的節能控制僅做到“人來燈開，人走燈滅”是遠遠不夠的；只要有人進入教室就打開教室中所有的燈，教室中無人再關閉所有的燈，雖然也起到了一定的作用，但是也會造成資源浪費和我們節能的觀念不符。我們根據不同時段光照進教室的角度不同劃分不同區域。

另外，我們知道高校教室除了要供學生上課，還要具有供學生自習使用的功能。特別在學生自習的時候，教室內的人員流動性很大。這種使用狀況也同樣要求我們將教室分為不同區域管理。另外，由于光頻轉換器和紅外熱釋電傳感器的探測區域是以器件本身為圓心，以探測距離為半徑的圓形區域，所以我們要計算好每個光頻轉換器和紅外熱釋電傳感器的覆蓋距離，以避免有沒有被覆蓋到的區域。

2 硬件關鍵電路設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要是由光頻轉換器和紅外熱釋電傳感器負責采集，熱釋電紅外傳感器由三部分組成，分別是敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡。當有人在透鏡前運動，人體輻射的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的可見區和盲區，采集人體中散發的熱量并以電流的形式表現出來。采用熱釋電紅外傳感器探測內是否有人，如果某探測區域內有人存在，則對應的熱釋電紅外傳感器檢測到人體輻射出的紅外線，產生微弱的電流，電流經過IC電路轉換為電壓信號并加以放大，再輸入給單片機進行處理。如若人離開，則紅外傳感器的下一個周期檢測不到人體，將斷開節能燈回路，從而實現了節能與智能的效果。

光電傳感器內部核心元件是光敏電阻，光敏電阻的光電效應是其光照越強，電阻越小，從而輸出不同大小的電流，在通過運放，將小電流轉換為電壓并放大，輸入給單片機。然后再通過單片機來控制節能燈的光照強度。

2.2 電力串口模塊

系統供電后正常工作，為適應我國電網一般為220V，采用電力串口模塊把個區域的單片機檢測模塊組合聯系起來，使系統一接至主控單片機上。

2.3 wifi模塊

設計中采用ESP8266實現數據同步上傳網頁的功能。ESP8266是一款超低功耗UART-WIFI透傳模塊，它一共有22個管腳，其管腳分布與連接示意如圖2所示，使用ESP8266模塊和主控單片機中的串口進行數據通訊，由單片機所整理的數據傳送到網頁上得到可實時觀測的數據。ESP8266擁有業內及富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計。傳輸的可靠性好，最大傳輸速率為：460800bps，可以很好地完成把數據上傳網頁的任務。

圖2 ESP8266管腳分布與連接示意圖

3 系統軟件設計

系統軟件程序流程是由系統的工作過程決定的。設計準確合理的流程圖直接關系到整個系統的軟件編寫是否準確合理，因為軟件是根據流程圖來寫出來的。因此設計是否可以成功，系統能否按照預期完成相應的工作，都取決于是否有一個合理準確的工作流程。

3.1 端點單片機

為了應用于教室中不同的情況，系統采用多模式控制，其主要模式為手動模式和自動模式。自動模式又有使用投影儀時的投影模式，當教室學生靜止時自習的自習模式。在系統的工作時間內采用自動模式，反之，可手動控制。端點單片機主要流程圖如圖3：

圖3 端點單片機流程圖

3.2 主控單片機

機智云平臺推出WIFI代碼自動生成服務。云端會根據產品定義的數據點生成對應產品的設備端代碼。自動生成的代碼實現了機智云通信協議的解析與封包、傳感器數據與通信數據的轉換邏輯，并封裝成了簡單的API，且提供了多種平臺的實例代碼。開發者只需要在對應的事件處理邏輯中添加傳感器的控制函數，就可以完成產品的開發。主控單片機流程圖如圖4：

圖4 主控單片機流程圖

3.3 監控界面APP

為了進一步降低開發者的開發難度，機智云推出了APP開源框架。在框架中，已經模塊化集成了適合開發者項目需求中需要做的邏輯處理。包括用戶部分（用戶注冊、找回密碼、用戶登錄）；配置設備入網；設備發現；消息推送。APP開源框架將各個模塊獨立成包，開發者如果想了解其中某一個模塊的實現代碼與流程，直接參考框架代碼即可。

4 實驗數據及分析

當1區域和3區域無人， 2區域和4區域有人時，使用機智云進行實地測試得到如下的實驗數據。圖5是教室燈光的APP界面設計原型圖與手機監控。

圖5 教室燈光的APP界面設計原型圖與手機監控

5 結束語

本文從教室節能的角度出發，結合單片機技術和控制技術，構筑了一個基于單片機的動態智能照明系統，提高了教室資源的能源利用效率，減少了電能資源的浪費，達到高效教室資源節能降耗技術升級建設改造目的。本系統的設計理念積極響應了我國倡導的建設資源節約型社會的暢想。

[1]張云莉,周曉平,朱雙霞.基于單片機的教室節能控制系統設計研究[J].制造業制動化,2012,2(下):34-2.

[2]周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計[D].2010.

[3]陳林輝,安成輝,劉小軍,李志軍.可檢測靜態人體的節能控制系統設計[J].科技創新與應用,2016,5.