教室自動感應照明系統設計

李雨晴 劉錦程 孫迪 沈雨順

（中國兵器214 研究所，安徽 蚌埠 233000）

一、前言

我國自改革開放以來，核心產業結構發生巨大變革，經濟飛快增長，目前我國已經成為制造業強國。由于工業4.0 的到來，智能化和多元化的發展逐漸進入人們的生活，電能作為世界的二次能源至關重要。因此人類如果再不約束自己的行為，最終會迎來能源危機[1]。教室是培育人才最重要的場所，設備管理尤為重要。照明系統的開放操作增加了學生在教室學習的時間自由性，但是教室的特點之一就是人員流動性大，因此教室設備的管理光靠工作人員是遠遠不夠的。傳統照明工具只能定時開啟或關閉電源，但是無法自動調節光照亮度，照明工具只能人工調整，不能根據室內是否有人自動感應關閉。在我們日常生活中所接觸到的大多數照明工具，都只有簡單的物理按鍵控制燈的開關，遙控照明系統還比較少見。

因此研究出一款應用于教室等公共場所的智能感應照明系統不僅是電力資源的節約，還是對綠色生活態度的踐行，實現照明設備用電利用率的提高，投入成本低，同時還能使自然光與照明系統相輔相成。

二、方案設計

（一）整體方案設計

根據教室空間以及座位的布局,把教室內部劃分為不同的區域,在相應區域內的LED 燈具上安裝紅外傳感器。該套系統通過傳感器探測教室內人員多少及分布,通過芯片控制相應的LED 燈,滿足教室內光照強度需要[2]。在教室自動感應照明系統設計中，首先要考慮教室對照明系統的光照強度的需求。為了讓節能高效的效果更加顯著，使用PWM 調光將控制燈光與自然光相輔相成。系統運用STM32F103 單片機作為控制核心控制教室照明，當單片機接收到傳感器傳來的光照信息，通過邏輯運算發出指令給控制端，從而判斷教室情況，然后執行相應的關燈或者開燈程序。LED 智能驅動器實現恒流驅動輸出和 PWM 調光功能。光照度信息的收集主要依賴系統中的光敏電阻。人體紅外傳感器負責采集室內人員信息并上傳至智能照明控制器。教室感應照明系統設計的研究內容主要分為兩個部分，一方面增加控制系統的靈敏性和多元化，另一方面是更好地實現系統與環境的智能結合。近年來，隨著嵌入式在自動控制領域的普及，單片機的種類越來越多，同時性能也得到了極大的優化，在對比了市面上各種主流的單片機之后，本文選擇STM32F103C8T6 單片機作為本系統的中控微處理器。

教室自動感應照明系統框架如圖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，具有信號處理、協調控制、數據通信等功能。

（二）硬件設計

系統電路主要由以下幾個部分組成：STM32 單片機最小系統、LED 照明驅動電路、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 遠程通信模塊電路。其中人體紅外傳感器輸出為開關量，當檢測范圍內有人員活動時就會輸出高電平。光敏傳感器輸出電壓模擬量，可以通過獲取的電壓計算出光照強度。三個按鍵分別為模式切換、亮度增加按鍵、亮度減小按鍵。LCD顯示器用來顯示關鍵信息。GSM 遠程通信模塊用以遠程控制。LED 驅動電路用于直接驅動LED，起到電流驅動作用。STM32 最小系統為控制核心，除了單片機外還集成了復位電路、晶振電路、調試接口。

1.LED 驅動電路。系統的LED 燈的電流較大，直接由單片機IO 驅動難以提供所需電流，容易電流過大燒毀單片機，所以需要用三極管來擴大電流驅動能力。當單片機輸出信號為高電平時候，高電平信號使三極管的c 極與e 極導通，電流經過R4保護電阻后驅動LED 發光。單片機輸出低電平信號的時候，三極管c 極和e 極截止，LED 熄滅。如圖2 所示：

單片機接收到光敏電阻檢測到的光照強度之后將得到電壓輸出與LED 的驅動閾值電壓對比，因此單片機通過PWM 信號就可以控制LED 的發光亮度。

2.光敏傳感器電路。教室的光照強度可以通過光照強度檢測電路自動地檢測出來，同時光照強度可以實時地顯示給監控者[3]。光敏傳感器實質就是將一個光敏電阻與普通電阻串聯，當光照發生改變時，光敏電阻的阻值也會變化，導致分壓發生變化。一般會后接一個電壓跟隨器和一個電壓比較器，前者用來增加分壓輸出的驅動能力，后者可以通過設置比較電壓來輸出開關量。本系統光敏傳感器連接電路如圖3 所示：

3.GSM 遠程通信電路。GSM 是通用分組無線服務技術的簡稱。GSM 并沒有采用在頻道連續傳輸的方式，而是以封包（Packet）的形式來傳輸，因為并不使用整個頻道而是以其傳輸資料單位來計算傳輸費用，所以理論上成本較低，便于推廣[4]。GSM通訊模組的引腳較多，但本系統除了供電只用到了串口引腳，簡化電路如圖4 所示：RXD 與TXD 為串口的接收與發送引腳，與單片機的串口引腳交叉連接，使單片機能與GSM 通訊模組通訊，互發命令與數據。

（三）軟件設計

此次設計，程序流程是先進行單片機內部外設初始化，并配置好GSM 遠程通信模塊。系統可以根據按鍵設置來執行操作，也可以通過GSM 遠程通信模塊獲取的消息來執行對應的操作。在自動模式下，系統會采集光敏傳感器數據與人體紅外傳感器的數據，在有人情況下會自動打開補光燈，并根據光線強度自動調節發光亮度。在手動模式下，系統不會主動操作補光燈，用戶可使用按鍵來控制輸出亮度，也可以通過GSM 遠程通信模塊來遠程控制。下圖5 為主函數整體流程圖。

照明的控制是系統最終輸出，單片機通過改變PWM 輸出的占空比調節發光亮度或關閉發光。其子程序的流程如圖6，在自動模式下，系統會自動根據有無人員和光照強度來控制發光，在手動模式下，需要用按鍵或遠程來設置發光狀態。

三、系統仿真

本電路通過Proteus 在PC 上進行模擬仿真，電路各項功能和參數正常運行，完成了嵌入式系統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、人體紅外感應模塊無法仿真，在此分別用滑動變阻器、串口終端、按鍵開關代替上述模塊進行仿真。仿真中的四個LED 燈在實際應用中應均等分布在教室的頂部，每個LED 底部都安裝一個人體紅外感應模塊，當某個燈下有人則對應的燈亮，四個人體紅外感應模塊的檢測范圍覆蓋整個教室。

（一）自動模式照明系統仿真

在自動模式下，首先按下按鍵1，此時模式轉換為自動模式，在虛擬串口終端界面輸入auto light:40 設置光照閾值，然后上拉按鍵開關，移動滑動變阻器，此時液晶顯示屏顯示此時自然光照值、LED 燈光照值、有無人員通過以及當前狀態，并且不斷刷新。

（二）手動模式下照明系統仿真

在手動模式下，教室管理員可以手動調節教室的光亮度，按下開關按鍵教室的燈即可關閉或者打開，電路上設置了三個按鍵可以用來切換模式、增加光照度、降低光照度。控制人員可以手動設置光亮度，按下光亮度增加按鍵液晶顯示屏上顯示當前光照度增加，四個LED 燈亮度明顯變亮，液晶顯示屏上顯示當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LED 燈亮度明顯變暗，液晶顯示屏上顯示當前自然光照度的值以及LED 燈光照度的值。

（三）遠程控制模式下照明系統仿真

本設計帶有GSM 模塊，可以使用使用手機以短信方式遠程控制。發送“get”命令可以獲取傳感器數據和其他詳細信息。遠程控制的GSM 模塊用串口模擬，在串口終端界面發送命令替代手機短信控制，在上文已知可用遠程控制設置自動模式和照明系統的閾值，向單片機發送get 獲取最新狀態，狀態不斷刷新。

結語

以節能照明為切入點，用32 系列單片機控制照明系統，使照明給人舒適的視覺體驗的同時節約能源，選擇32 系列單片機也是基于性價比高，運行速度快。它不是最先進的微處理器，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與家居控制相結合，在便捷的同時可以解放使用者的工作時間，遠程控制近些年活躍在智能家居市場，以后遠程控制也將滲透到學校和單位，深刻貫徹綠色節能的理念。