教室自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雨晴 劉錦程 孫迪 沈雨順

（中國(guó)兵器214 研究所，安徽 蚌埠 233000）

一、前言

我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，核心產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革，經(jīng)濟(jì)飛快增長(zhǎng)，目前我國(guó)已經(jīng)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。由于工業(yè)4.0 的到來(lái)，智能化和多元化的發(fā)展逐漸進(jìn)入人們的生活，電能作為世界的二次能源至關(guān)重要。因此人類(lèi)如果再不約束自己的行為，最終會(huì)迎來(lái)能源危機(jī)[1]。教室是培育人才最重要的場(chǎng)所，設(shè)備管理尤為重要。照明系統(tǒng)的開(kāi)放操作增加了學(xué)生在教室學(xué)習(xí)的時(shí)間自由性，但是教室的特點(diǎn)之一就是人員流動(dòng)性大，因此教室設(shè)備的管理光靠工作人員是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。傳統(tǒng)照明工具只能定時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉電源，但是無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)光照亮度，照明工具只能人工調(diào)整，不能根據(jù)室內(nèi)是否有人自動(dòng)感應(yīng)關(guān)閉。在我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|到的大多數(shù)照明工具，都只有簡(jiǎn)單的物理按鍵控制燈的開(kāi)關(guān)，遙控照明系統(tǒng)還比較少見(jiàn)。

因此研究出一款應(yīng)用于教室等公共場(chǎng)所的智能感應(yīng)照明系統(tǒng)不僅是電力資源的節(jié)約，還是對(duì)綠色生活態(tài)度的踐行，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備用電利用率的提高，投入成本低，同時(shí)還能使自然光與照明系統(tǒng)相輔相成。

二、方案設(shè)計(jì)

（一）整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)教室空間以及座位的布局,把教室內(nèi)部劃分為不同的區(qū)域,在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的LED 燈具上安裝紅外傳感器。該套系統(tǒng)通過(guò)傳感器探測(cè)教室內(nèi)人員多少及分布,通過(guò)芯片控制相應(yīng)的LED 燈,滿足教室內(nèi)光照強(qiáng)度需要[2]。在教室自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要考慮教室對(duì)照明系統(tǒng)的光照強(qiáng)度的需求。為了讓節(jié)能高效的效果更加顯著，使用PWM 調(diào)光將控制燈光與自然光相輔相成。系統(tǒng)運(yùn)用STM32F103 單片機(jī)作為控制核心控制教室照明，當(dāng)單片機(jī)接收到傳感器傳來(lái)的光照信息，通過(guò)邏輯運(yùn)算發(fā)出指令給控制端，從而判斷教室情況，然后執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)燈或者開(kāi)燈程序。LED 智能驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)輸出和 PWM 調(diào)光功能。光照度信息的收集主要依賴(lài)系統(tǒng)中的光敏電阻。人體紅外傳感器負(fù)責(zé)采集室內(nèi)人員信息并上傳至智能照明控制器。教室感應(yīng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容主要分為兩個(gè)部分，一方面增加控制系統(tǒng)的靈敏性和多元化，另一方面是更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境的智能結(jié)合。近年來(lái)，隨著嵌入式在自動(dòng)控制領(lǐng)域的普及，單片機(jī)的種類(lèi)越來(lái)越多，同時(shí)性能也得到了極大的優(yōu)化，在對(duì)比了市面上各種主流的單片機(jī)之后，本文選擇STM32F103C8T6 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的中控微處理器。

教室自動(dòng)感應(yīng)照明系統(tǒng)框架如圖1 所示，框架中主要包括三部分：光照信息收集模塊、照明控制模塊、遠(yuǎn)程控制模塊。微控制器是照明控制模塊的核心部分，具有信號(hào)處理、協(xié)調(diào)控制、數(shù)據(jù)通信等功能。

（二）硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路主要由以下幾個(gè)部分組成：STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED 照明驅(qū)動(dòng)電路、光敏傳感器電路與人體紅外傳感器電路、按鍵電路、LCD 顯示屏電路、GSM 遠(yuǎn)程通信模塊電路。其中人體紅外傳感器輸出為開(kāi)關(guān)量，當(dāng)檢測(cè)范圍內(nèi)有人員活動(dòng)時(shí)就會(huì)輸出高電平。光敏傳感器輸出電壓模擬量，可以通過(guò)獲取的電壓計(jì)算出光照強(qiáng)度。三個(gè)按鍵分別為模式切換、亮度增加按鍵、亮度減小按鍵。LCD顯示器用來(lái)顯示關(guān)鍵信息。GSM 遠(yuǎn)程通信模塊用以遠(yuǎn)程控制。LED 驅(qū)動(dòng)電路用于直接驅(qū)動(dòng)LED，起到電流驅(qū)動(dòng)作用。STM32 最小系統(tǒng)為控制核心，除了單片機(jī)外還集成了復(fù)位電路、晶振電路、調(diào)試接口。

1.LED 驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)的LED 燈的電流較大，直接由單片機(jī)IO 驅(qū)動(dòng)難以提供所需電流，容易電流過(guò)大燒毀單片機(jī)，所以需要用三極管來(lái)擴(kuò)大電流驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)單片機(jī)輸出信號(hào)為高電平時(shí)候，高電平信號(hào)使三極管的c 極與e 極導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)R4保護(hù)電阻后驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光。單片機(jī)輸出低電平信號(hào)的時(shí)候，三極管c 極和e 極截止，LED 熄滅。如圖2 所示：

單片機(jī)接收到光敏電阻檢測(cè)到的光照強(qiáng)度之后將得到電壓輸出與LED 的驅(qū)動(dòng)閾值電壓對(duì)比，因此單片機(jī)通過(guò)PWM 信號(hào)就可以控制LED 的發(fā)光亮度。

2.光敏傳感器電路。教室的光照強(qiáng)度可以通過(guò)光照強(qiáng)度檢測(cè)電路自動(dòng)地檢測(cè)出來(lái)，同時(shí)光照強(qiáng)度可以實(shí)時(shí)地顯示給監(jiān)控者[3]。光敏傳感器實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)光敏電阻與普通電阻串聯(lián)，當(dāng)光照發(fā)生改變時(shí)，光敏電阻的阻值也會(huì)變化，導(dǎo)致分壓發(fā)生變化。一般會(huì)后接一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)電壓比較器，前者用來(lái)增加分壓輸出的驅(qū)動(dòng)能力，后者可以通過(guò)設(shè)置比較電壓來(lái)輸出開(kāi)關(guān)量。本系統(tǒng)光敏傳感器連接電路如圖3 所示：

3.GSM 遠(yuǎn)程通信電路。GSM 是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。GSM 并沒(méi)有采用在頻道連續(xù)傳輸?shù)姆绞剑且苑獍≒acket）的形式來(lái)傳輸，因?yàn)椴⒉皇褂谜麄€(gè)頻道而是以其傳輸資料單位來(lái)計(jì)算傳輸費(fèi)用，所以理論上成本較低，便于推廣[4]。GSM通訊模組的引腳較多，但本系統(tǒng)除了供電只用到了串口引腳，簡(jiǎn)化電路如圖4 所示：RXD 與TXD 為串口的接收與發(fā)送引腳，與單片機(jī)的串口引腳交叉連接，使單片機(jī)能與GSM 通訊模組通訊，互發(fā)命令與數(shù)據(jù)。

（三）軟件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)，程序流程是先進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部外設(shè)初始化，并配置好GSM 遠(yuǎn)程通信模塊。系統(tǒng)可以根據(jù)按鍵設(shè)置來(lái)執(zhí)行操作，也可以通過(guò)GSM 遠(yuǎn)程通信模塊獲取的消息來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)采集光敏傳感器數(shù)據(jù)與人體紅外傳感器的數(shù)據(jù)，在有人情況下會(huì)自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)光燈，并根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。在手動(dòng)模式下，系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)操作補(bǔ)光燈，用戶可使用按鍵來(lái)控制輸出亮度，也可以通過(guò)GSM 遠(yuǎn)程通信模塊來(lái)遠(yuǎn)程控制。下圖5 為主函數(shù)整體流程圖。

照明的控制是系統(tǒng)最終輸出，單片機(jī)通過(guò)改變PWM 輸出的占空比調(diào)節(jié)發(fā)光亮度或關(guān)閉發(fā)光。其子程序的流程如圖6，在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)有無(wú)人員和光照強(qiáng)度來(lái)控制發(fā)光，在手動(dòng)模式下，需要用按鍵或遠(yuǎn)程來(lái)設(shè)置發(fā)光狀態(tài)。

三、系統(tǒng)仿真

本電路通過(guò)Proteus 在PC 上進(jìn)行模擬仿真，電路各項(xiàng)功能和參數(shù)正常運(yùn)行，完成了嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件的搭建連接。因仿真軟件的局限性，光敏電阻、GSM 模塊、人體紅外感應(yīng)模塊無(wú)法仿真，在此分別用滑動(dòng)變阻器、串口終端、按鍵開(kāi)關(guān)代替上述模塊進(jìn)行仿真。仿真中的四個(gè)LED 燈在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)均等分布在教室的頂部，每個(gè)LED 底部都安裝一個(gè)人體紅外感應(yīng)模塊，當(dāng)某個(gè)燈下有人則對(duì)應(yīng)的燈亮，四個(gè)人體紅外感應(yīng)模塊的檢測(cè)范圍覆蓋整個(gè)教室。

（一）自動(dòng)模式照明系統(tǒng)仿真

在自動(dòng)模式下，首先按下按鍵1，此時(shí)模式轉(zhuǎn)換為自動(dòng)模式，在虛擬串口終端界面輸入auto light:40 設(shè)置光照閾值，然后上拉按鍵開(kāi)關(guān)，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，此時(shí)液晶顯示屏顯示此時(shí)自然光照值、LED 燈光照值、有無(wú)人員通過(guò)以及當(dāng)前狀態(tài)，并且不斷刷新。

（二）手動(dòng)模式下照明系統(tǒng)仿真

在手動(dòng)模式下，教室管理員可以手動(dòng)調(diào)節(jié)教室的光亮度，按下開(kāi)關(guān)按鍵教室的燈即可關(guān)閉或者打開(kāi)，電路上設(shè)置了三個(gè)按鍵可以用來(lái)切換模式、增加光照度、降低光照度。控制人員可以手動(dòng)設(shè)置光亮度，按下光亮度增加按鍵液晶顯示屏上顯示當(dāng)前光照度增加，四個(gè)LED 燈亮度明顯變亮，液晶顯示屏上顯示當(dāng)前自然光照度的值以及LED 燈光照度的值；按下光亮度降低按鍵，四個(gè)LED 燈亮度明顯變暗，液晶顯示屏上顯示當(dāng)前自然光照度的值以及LED 燈光照度的值。

（三）遠(yuǎn)程控制模式下照明系統(tǒng)仿真

本設(shè)計(jì)帶有GSM 模塊，可以使用使用手機(jī)以短信方式遠(yuǎn)程控制。發(fā)送“get”命令可以獲取傳感器數(shù)據(jù)和其他詳細(xì)信息。遠(yuǎn)程控制的GSM 模塊用串口模擬，在串口終端界面發(fā)送命令替代手機(jī)短信控制，在上文已知可用遠(yuǎn)程控制設(shè)置自動(dòng)模式和照明系統(tǒng)的閾值，向單片機(jī)發(fā)送get 獲取最新?tīng)顟B(tài)，狀態(tài)不斷刷新。

結(jié)語(yǔ)

以節(jié)能照明為切入點(diǎn)，用32 系列單片機(jī)控制照明系統(tǒng)，使照明給人舒適的視覺(jué)體驗(yàn)的同時(shí)節(jié)約能源，選擇32 系列單片機(jī)也是基于性價(jià)比高，運(yùn)行速度快。它不是最先進(jìn)的微處理器，但是它是最適合廣泛推廣使用在家居照明上的MCU。同樣將GSM與家居控制相結(jié)合，在便捷的同時(shí)可以解放使用者的工作時(shí)間，遠(yuǎn)程控制近些年活躍在智能家居市場(chǎng)，以后遠(yuǎn)程控制也將滲透到學(xué)校和單位，深刻貫徹綠色節(jié)能的理念。