多媒體教室的智能照明控制系統

王雯嬌

長春金融高等?？茖W?，F代教育中心，吉林 長春 130012

0 引言

隨著我國經濟的發展和國民生活水平的不斷提升，室內照明已經不限于服務人們的基本生活，而成為人們在生活、工作以及學習過程中的重要保障，良好的室內照明能夠有效提升人們的生活、工作以及學習的質量。在我國各級學校中，多媒體教室都是十分重要的教學資源，但相關數據顯示，部分學校在使用多媒體教室過程中，對電力資源存在較嚴重的浪費。過度使用燈光照明不僅會造成電力資源的嚴重浪費，還會影響學生的學習質量，甚至會對學生生理上造成不良影響，特別是視力。因此，在新時代背景下，研究設計多媒體教室相對應的智能照明控制系統，不僅有助于倡導中國節約型社會的建設理念，還能夠有效保護學生的視力，提升學生學習效率。該課題具有一定的研究價值。

1 智能照明控制系統方案

1.1 方案論證

多媒體教室智能照明控制系統設計的重點在于對多媒體教室內的燈光進行智能化操控，由此實現節能、保護學生視力、提升學生學習效率的意義。因此，在多媒體教室智能照明控制系統建設過程中，首先需要確定科學合理的控制器。控制器作為智能照明控制方案中的核心點，目前可采用DSP、FPGA、單片機等。多媒體教室智能照明的核心目標是護眼和節能，因此不需要過于復雜的控制系統，DSP、單片機等完全能夠滿足智能控制的需求?？紤]到單片機操作方便、性價比高，因此選擇單片機作為該控制方案的核心[1-2]。

1.2 設計思路

選擇AT89S52單片機作為多媒體教室智能照明控制系統的核心，并為該系統配置信息收集模塊、執行模塊、電源模塊。采用光照強度感應器來實時測量多媒體教室中的光線強度，采用紅外線感應器來判定多媒體教室內的人員流動情況，基于人員情況與光線強度，發出對應指令。基于上述設計思路，設計了多媒體教室智能照明系統的整體設計思路框架，如圖1所示。

圖1 多媒體教室智能照明系統的整體設計思路框架

圖1 中，控制系統由控制器集中控制，配合外圍傳感器獲得多媒體教室內環境（尤其光照）實時狀況，自動控制燈具、窗簾等調整光照環境。在室內光照條件較好的白天，甚至有可能出現光照過強問題，此時可以通過自動控制燈具、窗簾的方式來調整自然光照強度。當光照條件不足時，則將根據設置好的閾值自動開啟燈具，補充光照。在白晝狀態下，智能照明系統主要起到輔助自然光線照明的作用；在傍晚和黑夜狀態下，以人工光源為主，作為光照補充。以光照相關傳感器獲取光照環境和光照范圍信息情況，將實時信息上傳至控制器，比對所設定的最佳光照參數，進而自動調整窗簾、燈具以獲得最佳的光照效果。注意光照范圍，針對教室而言，學生所處位置對光照范圍有影響，因此添加紅外傳感器，檢測區域人數，以配合調整區域光照強度。

值得注意的是，存在一種特殊情況，即白晝狀態下光照過于強烈時，室內光線可能會對學生的眼睛造成傷害，如晴朗天氣，太陽光直射黑板，可能會產生較強烈的反射，導致學生看不清板書，且會對眼睛產生傷害，此時控制器將自動開閉窗簾，控制光照強度[3-4]。

2 智能照明控制系統硬件設計

2.1 數據收集電路設計

因為多媒體教室智能照明系統主要是基于教室中的光線情況、人員數量以及方位情況來開展感知判定的，所以該智能照明系統的數據收集主要來自室內光線收集和人員感知[5]。

（1）室內光線收集。為了收集光線信息，可以采用性價比較高的光電傳感器。光電傳感器包括模擬和脈沖2種類型，前者原理在于光電元件流過的光電流會根據光通量的變化而變化，因為光電流為非電流函數，所以可以測定位移、表面光滑度、振動等。后者光電元件感光只有形成通路或短路2種模式，不輸出電信號，多數制作繼電器或脈沖發生器，以檢測位移、速率、轉速等。光電傳感器的核心為光敏二極管和電橋，由于光敏二極管受光照影響而變動電阻，在無光照環境下，電阻極高，電壓極大，JEFT接通，RW適配實現電橋平衡，而在有光環境下，光照強度越大電阻越低，當達到一定閾值，電橋不平衡，由此可以實現對多媒體教室的人工光源調控。

（2）室內人員感知。其核心原理是通過紅外線技術，來感知教室中是否存在人。紅外線技術是一種基于熱量釋放效應的感知技術，即通過空間內的溫度變化，感知人體輻射的所外放的能量。在感知到人體發出的紅外線信號之后，立即形成1個對應信號，通過單片機對其進行處理，轉換成數字信息，之后單片機經歷程序的判定處理，決定后續的操作內容。

2.2 電機控制電路設計

在多媒體教室智能照明系統中，建議使用直流電機作為控制電路。優勢在于接線方便，原因是其只存在正負極，交換便可以對正反轉進行調試，通過變頻器調整電壓電流，即可完成電機調速[6-7]。

對于直流電機，在多媒體教室智能照明控制系統中的驅動電路一般可以采取4種技術方案：專業集成驅動電路、驅動芯片和分立功率元件組成的驅動電路、繼電器與JFET構成的驅動電路、繼電器組成的驅動電路。在實踐過程中，需要電機設備可以進行正反轉，但是對轉速和時間控制的要求不高，因此使用繼電器與JFET構成的驅動電路驅動電機。電路整體結構示意圖如圖2所示。

圖2 電路整體結構示意圖

圖2 中，4個JEFT管分別為VT1～VT4,其中VT1、VT4一組，VT2、VT3一組，構建四臂電橋，從而通過調整A相和B相的電平差實現正反轉。從電路來看，當A相高電平，B相低電平，則電流由正極流過VT1，經過電機，再從VT4回負極，VT2、VT3斷開，電機正轉。反之，VT2、VT3接通，VT1、VT4斷開，則電機反轉。JEFT管在該電路中起到預防反向電壓的作用，避免電機兩端與晶體管出現過電流造成問題。如果成本預算較高則可選用智能化開關模塊直接控制電機正反轉。

3 智能照明控制系統軟件設計

針對多媒體教室智能照明控制系統的軟件設計，主要是基于數據信息處理電路來開展相關活動，即基于單片機開展相關程序的設計。軟件程序的整體執行流程：通過獲得傳感器獲得數據信息、針對數據信息開展實時處理、判定多媒體教室的狀態是否應該開啟或關閉燈源以及具體開啟的燈源數量。單片機由此實現對多媒體教室內光源的自動化控制，從而有效代替人工操作?？刂瞥绦蚴侵悄苷彰骺刂品桨钢嘘P鍵的一環，程序是否合理直接關系到控制方案的可行性和科學性。設計控制程序邏輯示意圖如圖3所示。根據中國教室照明設計相關質量標準與規范要求，設定300 lx為程序控制的下限閾值。根據相關研究和實踐經驗可知，教室各區域光照強度大于6 000 lx時，會導致學生出現炫目情況，看不清投影屏上的畫面，甚至部分區域學生眼睛會遭遇巨大刺激，因此以6 000 lx作為上限閾值。

圖3 控制程序邏輯示意圖

基于上述結論可知，在多媒體教室當中，光線強度超過6 000 lx時，即可判定為光線過強，已經達到會傷害大部分學生視力的程度。因此，若檢測到多媒體教室中存在人員，需要對學生的視力進行保護，主動通過直流電機拉上窗簾；若光線強度低于300 lx時，則可判定光線強度不強，但是也可能對學生的視力造成傷害，因此需要對光照進行補償。

紅外檢測與光照強度檢測，在程序邏輯中應當存在優先級，并不能單純設定為“和”“或”，這2種情況所代表的邏輯關系并不足以讓光照環境滿足多媒體教室光照調整需求。紅外檢測主要測人數，學生集中區域可能需要更強的光照，但是因為教室空間存在限制，而且燈具也有直射、散射等布置方案，所以應當優先光照檢測，除非燈具采取直射布置方案且教室空間巨大，否則紅外檢測只能作為輔助手段。簡而言之，在光照強度適宜的情況下，即使多媒體教室中的人數再多，燈光也不會開啟。

設計主程序時，設計人員還需考量延遲因素。因為所用傳感器主要考慮簡單易用特性，并非智能化元器件，所以需要解決的關鍵問題為干擾問題。干擾影響傳感器的精度，使傳感器獲得的信息可能不準確，但傳感器將信息傳輸至控制器后，只要能夠識別，就有可能開閉燈具、窗簾。因此，必須加入延遲設計，控制器可以基于延遲對傳感器傳輸的信息進行識別判斷，抵抗干擾因素，增加控制系統的性能。

值得注意的是，在進行多媒體教室智能照明控制系統主程序設計時，首先，需要對該照明系統進行初始化處理，設計定時器設定初值、P0口的初值等；其次，將該系統進入死循環，即收集光線信號、紅外傳感器信號，與設計閾值進行對比；最后，基于判定結果，執行對應的信號輸出任務。另外，應當設計延遲程序，從而預防學生在多媒體教室上課或自習過程中短時間“休息”時，系統對燈光的開啟和關閉頻率過高，不僅對學生的視力健康造成嚴重的負面影響，還無法實現對多媒體教室照明的智能化控制，且難以實現節能的客觀要求。為此，進行試驗，將延遲時間設定為10 min，在學生休息時長超過10 min時，系統將判定為該多媒體教室中沒有人，執行關燈命令。在不開燈或者關燈的環境中，有人按下開關，想開啟或者關閉燈光時，此時多媒體教室的智能照明控制系統將會具有最高的優先級別，基于人的意志來開展相關操作。

4 智能照明控制系統調試

基于上文軟硬件的設計，先布置硬件及電路，這是控制系統的基礎，也是保證控制系統合理有效的關鍵基礎。因此，重點考慮對硬件部分的調試，特別是傳感器部分，這是非常重要的內容，將在很大程度上影響智能照明系統的使用效果，軟件的調試需要基于現有的使用感受進行適當調整，以提升用戶體驗度。

為了使傳感器模塊的使用達到最大化效果，需要衡量多媒體教室中光線強度分布和均勻程度。該系統的本質是為人服務，因此多媒體教室對光線的要求如下：學生可以舒適地看書、寫字、觀看演示，且可以保護學生視力，以增強教學效率。基于上述要求，傳感器部分安裝位置應當滿足人員在教室內活動需求，同時與燈具安裝位置、光照方式相匹配。實際多媒體教室為教師和學生服務時，教室的整體天然采光能力較強，在墻壁阻隔等個別區域可能采光效果較弱，而沒有阻隔的個別區域則可能采光過強，使光照過于強烈，因此配合燈具安裝與照明方式，傳感器可安裝于課桌、講臺、黑板等位置。

5 結束語

智能照明控制系統在多媒體教室實踐過程中的積極作用明顯，不僅能夠有效控制室內光線強度，讓學生和教師享受到最合理的光線照射，方便相關教學活動的開展，而且可以節約能源。因此，有必要在多媒體教室安裝智能照明系統。基于此，結合相關經驗，筆者從硬件和軟件層面，論述了多媒體教室智能照明控制系統的建設要點，希望拋磚引玉，讓相關技術在實踐過程中變得更為成熟。