節能型校園智能照明控制系統設計

趙玉榮，余文韜，段宗和，于浩，申政，喬辛辰，張洪偉，方正楊

（安徽新華學院，安徽合肥，230088）

0 引言

伴隨社會照明系統的迅速發展和各個領域的廣泛應用，電力浪費、光污染等不合理照明越來越嚴重，強光或弱光都會對人的視力造成傷害。尤其是學校建筑數量的直線增長，使得照明設備需求逐年增長，雖然目前校園照明設施得到了較大改善，但隨時關燈，節約用電的意識仍淡薄，校園長明燈問題也隨之而來，造成照明設備用電浪費嚴重。因此，校園智能化照明控制系統已經成為當今中國乃至整個世界的主流，基于上述問題，設計一款智能控制型校園智能照明系統是非常有必要的[1]。

1 系統設計方案

本設計的校園智能照明控制系統告別多數校園照明設備的傳統控制方法（較為常規的串聯開關后與主線并聯，開關進火線，這樣電源才能控制照明開關），采用無線通信的智能控制方式，利用nRF24L01 無線控制校園智能照明系統主機與從機的數據傳輸。主機通過發送數據控制從機的工作方式、照明狀態和工作模式，也可以在選擇工作方式后，控制從機照明設備的開關。在自動模式下，主機通過聲音檢測模塊檢測周圍環境聲音強度，人體熱釋傳感器檢測周圍環境人體散發的熱量來確定是否有人經過。紅外對管通過遮擋的方式控制從機照明開啟；從機通過檢測周圍環境光照強度改變照明亮度。在自動模式下主要靠主機按鍵控制從機各設備照明開啟與工作亮度。總體設計結構框如圖1 所示。

圖1 系統設計方案

2 系統硬件設計

■2.1 STC89C52 最小系統

本設計的最小系統由單片機、復位電路、時鐘電路組成（見圖2），單片機選擇STC89C52 芯片[2]；時鐘電路由一個11.0592MHz 的晶振和兩個30pF 的瓷片電容組成，從而實現定時、計數和時間設定等重要作用。

圖2 STC89C52 最小系統系統

■2.2 無線發射與接收電路

nRF2L01 是工作在2.4～2.5GHz 的一款世界通用ISM頻段的單片無線收發芯片。無線收發器包括：頻率發生器、晶體震蕩器、功率放大器等。當工作在發射模式下發射功率為-68dBm 時電流消耗為9mA，接收模式時僅為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低[3]。通過把CE 引腳信號和CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ 引腳信號設置不同，讓數據在不同的頻率內傳輸。在本設計中為nRF24L01 提供3.3V 電壓使其正常工作，當無線接收模塊的頻率和發射的頻率一致時就會接收信號，設置方法一致（見圖3）。

圖3 無線發射電路

■2.3 繼電器控制電路

此設計通過小電流控制大電流原理控制太陽能充電緊急照明模塊自動開關（見圖4）。當供電系統正常時，太陽能板將照射在太陽能板上的光能轉換成電能為鋰電池充電，若供電系統突然斷電時，緊急照明燈打開提供照明。

圖4 繼電器控制太陽能充電緊急照明燈電路

■2.4 光敏調節照明電路

光敏電阻作為光照強度的檢測器件，其工作原理較為簡單，當光照強度比較低時，其反向的阻值比較大，從而反向電流就比較小；相反，當光照強度比較大時，電子空穴對在PN 結內部電場的作用下作定向運動，形成光電流；光電流的大小和關照強度成正比；光照強度越大，光電流就越大；所以光敏二極管就可以實現應付光照的強度輸出強度不同的電壓信號[4]。單片機實時檢測光敏二極管輸出的電壓信號，通過輸入的電壓信號判斷外部的光照情況（見圖5）。

圖5 光敏調節照明電路

■2.5 按鍵電路

本設計采用按鍵接地的方式來讀取按鍵，當按鍵按下的時候，會給單片機一個低電平，單片機對信號進行處理。當S2 按下時控制從機通用照明開關；S3 控制教室照明模式，自動模式下教室燈自動調節照明強度；手動模式下S4 控制照明亮度增加，S5 控制照明亮度減少（見圖6）。

圖6 按鍵電路

■2.6 聲音傳感器模塊

聲音傳感器模塊對環境聲音強度最敏感，可以檢測周圍環境的聲音強度（見圖7）。通過調節板上藍色電位器來設定閾值。在本設計中聲音傳感器模塊作用在校園廁所燈完全關閉的狀態下，檢測人的聲音。當檢測區域內的聲音達不到通過電位器設定的閾值時，此時信號口就會輸出高電平信號，當檢測區域內的聲音超過通過電位器設定的閾值時，模塊信號輸出口就輸出低電平信號。此系統進行工作時，聲音傳感器模塊直接連到單片機，在計時器記到一定時間時，觸發聲音傳感器的任務去工作，當單片機檢測到聲音傳感器模塊的信號時，說明有人發出聲音需要開燈；單片機將控制信號將廁所照明燈點亮；如果在此環境內聲音傳感器模塊檢測不到聲音大于設定閥值的聲音就不會像單片機發送信號信號時，廁所照明燈一直處于關閉狀態。

圖7 聲音傳感器模塊

■2.7 人體熱釋電紅外感應模塊

人體熱釋電紅外感應模塊采用雙元探頭，本模塊有兩個紐扣其中一個可以改變報警的延遲時間，另外一個改變檢測的距離，離得越近感應越靈敏。在本設計中人體熱釋電紅外感應模塊作用是在走廊照明燈完全關閉的狀態下，檢測學生的作用。人體熱釋電紅外感應模塊搭配信號放大電路、電壓比較器可實現檢測人員有無的作用。本系統進行工作時，人體熱釋電紅外感應模塊直接連到單片機，在計時器記到一定時間時，當觸發紅外傳感器說明有人經過；單片機將控制信號將走廊照明燈點亮；當檢測不到信號時，走廊照明燈一直處于關閉狀態。

■2.8 LD3320A 語音識別模塊

LD3320A 語音識別模塊有16 個單片機IO 口，一個串口可實現串口通信。本模塊通過識別一級口令和二級口令實現相應的功能，一級口令相當于密碼，只有一級口令識別成功才能識別二級口令，通過識別二級口令根據識別詞匯選擇IO 口向主機單片機發送高低電平信號來控制從機照明設備的開啟與關閉。比如，開啟從機辦公室照明就需要先說出一級口令“小杰”，當模塊上的紅色LED 燈就會亮起，表示一級口令識別成功，然后說出二級口令“開啟辦公室燈”從機根據指令開啟辦公室照明燈。關閉從機辦公室照明就需要先說出一級口令“小杰”，當識別成功，模塊上的紅色LED 燈就會亮起，表示一級口令識別成功，然后說出二級口令“關閉辦公室燈”從機根據指令關閉辦公室照明燈，并且模塊指示燈熄滅。

3 系統軟件設計流程

校園智能照明系統主要是通過對按鍵電路、聲音強度傳感器、人體熱釋傳感器、紅外對管進行實時的檢測、顯示與判斷，通過對子函數的不斷調用實現無線循環，實現校園智能照明控制教室照明強度、馬路、走廊、廁所、通用照明的功能。總體流程如圖8 所示。

圖8 整體設計流程圖

4 實物測試

主機和從機通過nRF2L01 模塊在室內距離五米通信，主機按下按鍵通過nRF2L01 模塊控制從機馬路照明、走廊照明、機廁所照明和繼電器的開關，也可在手動模式和自動模式間進行轉換。手動模式主要是主機通過按鍵無線遙控從機進行相應操作；自動模式下主機通過檢測紅外、聲音等控制廁所的照明，人體熱釋傳感器用來控制走廊照明，從機在自動模式下自動根據光照強度變換照明亮度。斷電狀態下緊急照明系統自動開啟，主機可以通過nRF2L01 模塊控制多個從機，實現相應操作。普通照明是通過按下主機普通照明按鍵，主機通過無線傳輸模塊向從機的無線傳輸模塊發送數據包，從機接收到數據包后經過解析數據包控制從機開啟普通照明燈。

馬路照明是通過主機紅外感應傳感器檢測到紅外對管被遮擋，主機通過無線傳輸模塊向從機的無線傳輸模塊發送數據包，從機接收到數據包后經過解析數據包，控制從機馬路照明燈，具體效果見圖9。

圖9 紅外照明測試實物圖

廁所照明是通過主機聲控模塊檢測超過閥值聲音強度，主機通過無線傳輸模塊向從機的無線傳輸模塊發送數據包，從機接收到數據包后經過解析數據包，控制從機開啟廁所照明燈。具體效果見圖10。

圖10 聲控照明測試實物圖

5 小結

本次設計驗證了校園智能照明控制系統是可實現的，并且在設計的基礎上可繼續擴展安裝方便、移植性高、控制場景多，顯示簡單等優勢，本系統設計不僅可以應用在校園智能照明，校園以外的多種場景之下如體育館、寫字樓、公司等也具有良好的市場前景，具有一定的創新與研究意義。