基于STM32F1的智能型節能教室系統

西北民族大學電氣工程學院 張婉晴 董佳佳 張本諭 潘 陽 覃江泉

伴隨著社會用電需求的不斷增加，我們面臨著用電負荷持續攀升的現狀。以大學校園用電為例，許多大學不斷擴大招生規模，導致校園內對照明的需求愈來愈多；同時，由于大部分同學的節能意識相對薄弱，導致了天明燈亮、人走燈亮等現象屢有出現。每天晚上教學樓閉樓時，教學樓業務管理人員需要到每一間教室去關燈，這必然會造成巨大的電能和人力資源的浪費。因此，為提高教室的用電效率和管理水平，本文設計了一款智能型節能教室系統。相對于其他傳統教室，該教室可有效解決各大院校教室、工廠、體育館、圖書館等場所的無人燈開、天明燈開的現象。本設計采用單片微控制器的多樣化數據采集與控制系統，在滿足照明需求的同時，為學校節省了電力資源和人力資源的開支。另外，它能夠顯著提高教室內燈光的能源利用率，生產成本低且便于調試安裝，有效地緩解電力資源的緊缺，具有廣闊的應用前景和發展空間。

1 系統總體設計

1.1 系統總體框架

本系統由硬件和軟件兩個部分構成。其中，硬件部分主要以單片機（STM32F103V3）系統為核心電路，其外圍電路包括：系統供電模塊、環境光線采集模塊、按鍵輸入模塊、人體紅外感應電子模塊、系統時鐘模塊、超時報警模塊等。本系統的軟件部分主要對光線、時間及人數等變量進行采集、判斷和處理，并通過不斷調試使該系統能夠實現智能化（如圖1所示）。

圖1 系統單元框架圖

1.2 系統基本方案

首先，本系統設計的基本方案是分白天模式和晚自習模式兩種模式實現預期功能：

（1）白天模式主要是利用光敏電阻傳感器檢測當前環境的光線亮度，將檢測信號返回給單片機，將檢測信號值與設定光線值進行比較，若前者低于后者，表明此時環境光線較暗，系統會自動提供照明服務；反之，系統將不會允許開燈，實現了照明系統的智能化。在教室門前安裝人體紅外熱釋傳感器作計數處理，并將教室內人數顯示于教室液晶顯示屏，以便老師了解學生的出勤率；同時，當學生下課離開教室忘記關燈的情況下，教學內的燈會自動熄滅。

（2）在晚自習模式下，初始狀態只有第一間教室亮燈可以使用，其他教室無法使用。當教室內人數過半時，逐漸開放各個教室以達到節能的功能。考慮到一些學生刻苦學習而忘記回宿舍休息，此模式增加報警設置，當達到設定時間（如23：00）時啟動超時報警，提醒學生回宿舍。在一定的緩沖期后，教室內的燈會自動熄滅。

為驗證此設計的可用性，提高可信度，可以利用攝像頭實時監控教室情況。為便于學生查找教室進行自習，在教學樓大廳增加顯示器用于顯示各間教室的使用情況。防止單片機在工作過程中產生程序死機等情況，加入看門狗模塊使其恢復并重新工作；同時，加入EEPROM模塊，在重新復位后具有斷電保護功能，可馬上恢復工作。

2 系統硬件設計

本設計采用的主控芯片STM32F103V3是一款專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內核處理器。該芯片內部集成多種外設功能，如定時器Timer、ADC、SPI、UART、I2C等，可廣泛應用于電力電子系統、電機驅動、應用控制、醫療等領域，是一款常用的增強型系統的微控制器。其供電模塊采用AD-DC電源模塊，實現200 V轉5 V，接入單片機后實現對主控芯片及其外圍電路的供電。本系統采用4線制光敏電阻傳感器，為了更加精準地獲取教室環境的光線強度，將模擬量輸出端A0與STM32F1單片機的引腳PF8端口相連，利用AD模塊完成代碼的編寫，即可得到準確的光照值。由于教室的大小不同，在晚自習模式下則利用矩陣鍵盤對教室人數總容量進行初始設置。初始狀態下只有第一間教室亮燈，當教室人數過半時逐步開放后續教室，以達到節能的效果。根據人們的行為特征，將兩個光電傳感器分別設置在門的內、外側，可以在統計教室人數的同時，將人數顯示于液晶顯示屏，以便老師了解學生出勤率；同時，在室內無人時強制斷電，將智能化與節能融為一體。熱釋電紅外傳感器采用雙元探頭，當人體經過探頭的左右方向時,發出的紅外光譜到達雙元的時間和距離會存在差值，且差值愈大感應愈靈敏。但是，當人體從正面走向探頭或經過探頭的上下方向時，雙元探無法檢測紅外光譜距離上的變化，此時不存在差值，導致感應不靈敏甚至不工作。為了使該模塊能夠具有更大的感應腳范圍，采用菲泥爾濾光透鏡使得探頭四面都能感應到，但左右兩側仍然比上下兩個方向感應范圍大、靈敏度強。為實現監測的靈活性和準確性，我們在教室過道橫向、豎向安裝多個熱釋電傳感器，采用全自動感應以感應人體是否進入教室，對人體進行計數。系統的照明模塊為綠色環保的LED半導體光源，其光線柔和、光譜純凈，利于保護用戶視力，滿足用戶體驗。雖然單個LED的體積小，但其壽命較長、適用性能好，可根據用戶需要做成任何形狀。相較于普通燈具，其回應迅速且外形堅固、不易損壞，由無毒的材料制成，可回收利用。本系統還裝有超時報警模塊，當時間超過設定時間，其會報警通知學生離開教室，并在一定的緩沖期后，關閉教室照明系統。同時，通過攝像頭監控本系統，驗證其可行性。在教學樓大廳實時顯示當前教室的情況及每間教室的使用情況，以便學生能夠迅速找到教室學習。

3 系統軟件設計

本系統的軟件流程如圖2所示，其使用的編程語言是易學易用的基礎語言——C語言，使用的編譯器為Keil 5。在程序設計過程中，明確本系統需要實現的功能；逐步分解和細化這些功能要求，并對其進行模塊化編程，完成函數初始化；編寫主函數，確定函數之間的調用關系；優化設計模塊之間的調用關系。這種編程方法降低了程序設計的復雜性，提高了代碼的可重用性和可維護性，在發現問題時能夠及時找出問題并修改，利于團隊開發。

系統上電初始化后，設定定時器并允許定時器中斷。自動運行看門狗系統，若發生意外，啟動EEPROM模塊存儲當前數據，否則繼續進行判斷。按下輸入數值進行教室人數總容量的設定，完成攝像頭系統圖像的采集；同時，進行環境光線的采集，對當前環境光線亮度進行判斷，若環境光達到設定光線閾值，表明當前環境光線充足，燈將無法打開。若光線亮度未達到閾值，啟動人體感應處理任務，實現智能開燈。在設定定時器后，也將執行時鐘處理任務，若當前時間超過設定時間后，啟動超時報警功能，實現智能關燈。

圖2 系統軟件程序流程圖

結束語：本文綜合利用了應用電子技術、傳感器技術、單片機技術完成了對智能型節能教室系統的研究和設計。首先，學習部分模塊并編寫相應功能實現代碼，基本功能實現后，開始進行硬件電路的焊接。最后進行系統性調試，使軟硬件相互配合以確保該系統能夠正常工作，觀測其調試結果是否符合設計要求。同時，需要模擬不同光線不同時間下的教室情況，多次試驗避免偶然性，逐漸優化代碼及硬件設施，完善系統功能，提高項目可行性。本項目的創新點：（1）節能性：白天開啟白天模式，晚上開啟晚自習模式，避免“長明燈”的出現，人走燈滅，控制設備能耗極低，供電設備可進行科學智能供電，節約大量的電力資源。（2）操作簡便性：在使用過程中，人們只需進入教室，無需任何操作，該系統便能自動檢測并為用戶提供照明設置，安裝時無需改變公共場所或民用場所內的原有設備位置，使用簡便、適用范圍廣。（3）智能性：在教室的門口設置紅外傳感器，以達到對教室人數的計數功能；在統計教室人數的同時，將人數顯示于教室液晶顯示屏，以便老師了解學生出勤率；相鄰的自習室具有相關性，前一個自習室人數過半才允許開放第二個自習室供學生使用。