教室燈光智能開關(guān)控制系統(tǒng)的研究

李俊昊 王磊 王必祥 朱榮慶

摘 要：本文針對目前高校教室“全亮燈”“白晝燈”等電能浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款教室燈光無線智能開關(guān)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，信息采集系統(tǒng)中的熱釋紅外檢測模塊完成人體存在信息的采集、光敏傳感器模塊完成光強(qiáng)信息的采集；nRF24L01無線發(fā)送、接收模塊完成信息數(shù)據(jù)的傳送；燈光控制系統(tǒng)中的繼電器、振動(dòng)傳感器模塊完成對教室燈光的智能化控制。系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)熄滅燈光的功能。研究表明：該系統(tǒng)能夠大大地提高教室的節(jié)能效果和管理的智能化程度。

關(guān)鍵詞：無線智能 nRF24L01 繼電器 節(jié)能

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0038-03

高等院校的教室作為開展教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)交流的重要場所，為了方便學(xué)生之間的學(xué)習(xí)和交流，大多都采用分時(shí)段自由開放式的管理運(yùn)作模式。由于這種模式很大程度上取決于人的主動(dòng)性，不能智能地控制燈光的點(diǎn)亮和熄滅，因此在教室里僅有幾個(gè)人，甚至在無人的情況下，頻繁出現(xiàn)所有的燈具都處于運(yùn)行狀態(tài)的“全亮燈”現(xiàn)象；或在白天教室中的光線強(qiáng)度已經(jīng)滿足學(xué)習(xí)要求時(shí)，而燈具依然沒有及時(shí)關(guān)閉，出現(xiàn)“白晝燈”現(xiàn)象[1]。這不但為學(xué)校的電力支出增加了負(fù)擔(dān)，而且造成大量的電能浪費(fèi)。所以對教室燈光智能化節(jié)能控制系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義和很大的實(shí)用價(jià)值[2]。

1 系統(tǒng)總體方案

該方案如圖1所示，系統(tǒng)主要以單片機(jī)STC89C52芯片[3]為核心控制元件，由光照強(qiáng)度檢測、熱釋電紅外檢測模塊、無線發(fā)送、接收模塊、繼電器控制等模塊組成。工作時(shí)，信息采集系統(tǒng)中的熱釋電紅外檢測電路和光照檢測電路采集教室燈光各區(qū)域下是否有人、光照強(qiáng)度等信息傳送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，通過無線發(fā)送模塊向燈光控制系統(tǒng)發(fā)送信息。燈光控制系統(tǒng)的單片機(jī)執(zhí)行控制指令，通過控制繼電器的狀態(tài)來智能化地控制教室燈光的熄滅。

信息采集系統(tǒng)最主要目的是要保證各個(gè)傳感器所采集的信息的準(zhǔn)確性，依據(jù)教室光照強(qiáng)度分布、熱釋電紅外模塊所探測范圍和高校教室面積的大小，合理地將教室劃分成7個(gè)區(qū)域，將控制器安裝在各區(qū)域天花板上。控制器由+5V電源電池、熱釋電紅外檢測、光強(qiáng)檢測、無線發(fā)出模塊等構(gòu)成。它是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集和處理裝置，單片機(jī)通過I/O口直接與光敏傳感器、熱釋電紅外線傳感器相連，可以實(shí)時(shí)采集它們發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行識(shí)別判斷。燈光控制系統(tǒng)中包含自動(dòng)、手動(dòng)控制兩種模式，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)一體化的功能。自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)能智能地熄滅教室某區(qū)域的燈光和允許某區(qū)域的燈光點(diǎn)亮，在手動(dòng)控制模式下，教室燈具的開關(guān)狀態(tài)由人來決定，兩種模式達(dá)到了智能化、人性化控制的效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的無線發(fā)送、接收模塊均采用的是 nRF24L01無線射頻芯片。nRF24L01芯片功耗低，以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅為9mA；接收時(shí)，工作電流僅12.3mA，多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設(shè)計(jì)[4]。該模塊的接口共有8個(gè)引腳，分別為GND、VCC、CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ[5]，其中GND為電源地，VCC為3.3V工作電壓，IRQ為外部中斷引腳，其余為芯片的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳。工作時(shí)需使用AMS1117-3.3芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

燈光控制系統(tǒng)中的控制器采用的是交流市電供電，其電壓為220V，所以需將電源轉(zhuǎn)化電路將交流市電轉(zhuǎn)化為5V低壓直流電，如圖3所示，電源轉(zhuǎn)換電路采用變壓器降壓，再整流濾波，獲得5V電壓。

熱釋電紅外檢測人體模塊采用的是以BISS0001為核心的HC-SR501熱釋電紅外傳感器組件，該模塊主要由人體紅外傳感器、菲涅爾透鏡、專用芯片BISS0001組成。當(dāng)傳感器檢測到人體發(fā)出的紅外線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的信號經(jīng)過處理后傳送到單片機(jī)。光敏電阻對教室的光強(qiáng)非常敏感，它的電阻與照射到器件表面的光強(qiáng)有關(guān)，光照強(qiáng)度越大時(shí)，光敏電阻的阻值越小[6]，反之越大，可用來檢測教室的光強(qiáng)，當(dāng)教室光照強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出高電平，當(dāng)教室光線強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出低電平，DO輸出端與單片機(jī)直接相連，單片機(jī)通過檢測高低電平，來檢測教室的光線強(qiáng)度改變。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

如圖5所示，選取控制一盞教室燈具的電路設(shè)計(jì)作為示意圖，在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)教室的燈具開關(guān)K1處于閉合狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行教室燈光的熄滅可由繼電器組成的控制電路來決定，當(dāng)教室的光照強(qiáng)度滿足要求時(shí)，或教室某區(qū)域下無人狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令讓P1.0口始終輸出高電平，控制三極管Q1處于放大狀態(tài)，繼電器通電，在這里電路中采用的是常閉開關(guān)，即當(dāng)繼電器通電時(shí)，會(huì)使電路中的開關(guān)K2斷開，則繼電器控制的該區(qū)域的燈光被熄滅。

在手動(dòng)控制模式下，當(dāng)有人按動(dòng)教室燈具的開關(guān)K1時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，燈光控制系統(tǒng)中的振動(dòng)傳感器就會(huì)檢測到振動(dòng)，將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)執(zhí)行程序，使P1.0口輸出低電平，則三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器J1處于不通電狀態(tài)，此時(shí)電路中的開關(guān)K2處于閉合狀態(tài)，該區(qū)域燈光點(diǎn)亮。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，工作流程的軟件程序開發(fā)采用Keil5開發(fā)環(huán)境，使用C語言進(jìn)行模塊化編程，條理清晰，為系統(tǒng)調(diào)試帶來方便。當(dāng)主、從控制器上電后，各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘初始化、端口初始化以及變量初始化。程序流程如圖6所示。

當(dāng)燈光控制系統(tǒng)接收到來自信息采集系統(tǒng)發(fā)出的模式控制信號時(shí)，會(huì)進(jìn)行模式判斷，若為手動(dòng)模式，當(dāng)振動(dòng)傳感器檢測到振動(dòng)時(shí)，單片機(jī)會(huì)使引腳P1.0口始終保持低電平，三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器不通電，電路是通路，讓教室內(nèi)燈光僅受室內(nèi)手動(dòng)照明開關(guān)K1的控制；若為自動(dòng)模式，當(dāng)教室的光照強(qiáng)度滿足不需要開燈條件時(shí)或檢測到某區(qū)域無人員存在時(shí)，單片機(jī)引腳P1.0輸出高電平，繼電器J通電，電路中的開關(guān)斷開，教室的燈光就會(huì)熄滅。

4 結(jié)語

本文通過針對高等院校教室燈光使用不合理造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，對傳統(tǒng)的教室燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對燈光智能化控制的功能。本文綜合利用了應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)等完成了對高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。經(jīng)過研究表明：該系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 周鵬，蔣方劍.教室照明光感節(jié)電控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子科技，2011，24（9）：54-55.

[2] 伍世云，羅江，王益艷，等.基于單片機(jī)的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（23）：180-182.

[3] 保金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4] 趙江波，方歡，李龍林.基于IAP單片機(jī)和nRF24L01的智能家居控制設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（10）：24.

[5] 賀敬行，薛亞平，李建榮.基于nRF24L01的通用型遙控開關(guān)的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014（18）：242-243.

[6] 鄭時(shí)春，周燕，雷顯國，等.單片機(jī)控制的熱釋電紅外節(jié)能照明開關(guān)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，11（4）：111-112.