智慧教室中照明監測系統設計與實現

姚勇 吳田

湖北第二師范學院 湖北武漢 430205

伴隨經濟高速發展的同時能源消耗也與日俱增，其中高校逐漸成為用電大戶。在全國的節能工程中，高校節能對帶領社會樹立節能意識和促進經濟發展起著重要的作用。由于照明系統的技術和設備原因，人工手動控制教室燈光會出現各種各樣的問題，例如忘記關燈，就會出現高校教室存在著“人走燈未關”的情況,也會出現“長照明”“人少燈多”等浪費用電現象。由此可以得出高校中能源浪費嚴重，特別是教室內的燈光控制。相對于有效利用量，損耗量則占了較大的比重。另外，各高校的照明系統也有待更新[1-3]。因此使用更加節能、綠色的照明裝置和照明系統，成為現如今各高校改變現狀的重要方向和手段。如何解決高校能源損耗這一重大難題，設計完備有效的智慧教室照明監測系統成為最有效的途徑。

針對上述問題，本文提出智慧教室中照明監測系統，系統可以根據人數的分布以及光照的強弱來實時、動態地控制教室的照明，可最大程度上實現節能。本系統可以廣泛地運用于教室、辦公室、廁所及圖書館等公共場所。不僅可以減少對教室內照明管理的人工成本，還可以減少能源的浪費，實現節能減排綠色照明的要求。

1 系統框架設計

本系統的設計是以STM32為控制器的一個智慧教室監控系統，還包含著人體紅外監測模塊、可見光強度監測模塊、LED模塊、OLED顯示模塊等。該系統的原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

2 模塊功能設計

2.1 處理器模塊

根據課題需求并結合各型單片機的綜合性能，本課題采用STM32型單片機作為控制器。STM32系列單片機具有許多優于51單片機的性能，它具有較高的性能、高速率、較好的性能以及較低的成本，同時它的集成度也非常高，工作功耗較低，并且可實現產品化等優點，為此可以得到廣泛使用。在此基礎上，采用STM32F103C8T6作為主控制器，并結合其他的功能模塊，進行智能管理。STM32F103C8T6單片機最小系統電路設計主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振電路、復位電路、啟動模式電路等。

2.2 人體紅外監測模塊

人體紅外監測模塊通過紅外監測模塊，采用光電開關傳感器工作原理：發射器會發射出一定頻率的紅外線，當監測方向遇到障礙物時，紅外線發射回來被接收管接收。通過借助紅外線來監測、判別物體的紅外傳感器，同時具有穩定、抗干擾性強、綠色節能等優點。

光電開關傳感器由接收管和發射管兩部分組成，LED紅外發射管和接收管都是一個二極管，他們的功耗都是70MV，正向電流限大30MA，反向電壓限大5V。紅外傳感器是監測人類或動物存在的優秀設備，其外形尺寸小，設計堅固，可用于低成本的監控。紅外傳感器通常和其他各種模塊進行組合來實現各種各樣的功能，如醫療保健、智能能源系統和安全、觸發入侵者警報、在人出現時啟動家用電器和智慧教室等。本文展示了僅使用一個紅外傳感器，它結合信號處理，就可以清楚地估計教室內的人數。此外，硬件和軟件資源被用來解決市售通用微控制器和傳感組件的有限計算能力，以降低整個紅外系統模塊的成本。該應用領域可以擴展到任何一個領域，在本次的智慧教室監測系統中利用紅外傳感器來監測教室內人數。紅外傳感器的種類也有許多，例如：避障紅外傳感器、循跡紅外傳感器、遙控紅外傳感器、火焰報警紅外傳感器等。

采用最為常見的避障紅外傳感器來實現人數監測的功能。這種監控方法可以根據人體釋放的紅外信號變化很容易判斷出是否有人，而且人體紅外傳感器價格低廉，信號處理簡單。當發射管發射信號時，如果此時沒有人，同向輸入端的電壓VCC，而反向輸入端的電壓由于加入了分壓器，所以VfV-，所以輸出的是高電平。當遇到人時，發光二極管是截止狀態，此時監測的是低電平(GND)。反向輸入端Vf>GND，此時輸出低電平，則導通。

2.3 可見光強度監測模塊

可見光強度的監測，通常利用光照傳感器來監測光照的明暗程度。本次系統將使用光敏電阻監測模塊來監測室內的光照。常用的光敏電阻即硫化鎘光敏電阻器是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線的強弱變化而變化，在黑暗條件下它的阻值可達1～10兆歐,在強光條件下，它的阻值僅僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性與人眼對可見光的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。

本系統做了一個光敏電阻和電壓比較器，電壓比較器可以看作是放大倍數接近“無窮大”的運算器。盡管本設計中只是用了其中一個比較器，由于芯片價錢不高，而且待用單元可供今后系統的更新拓展，這也是硬件設計的基本原則。

2.4 OLED顯示模塊

OLED顯示器是發射型的，可以產生光，一個OD顯示屏由多層薄膜堆和一個圓形偏振器組成，可以減輕環境光發射，每個像素都可以單獨開啟，需要多個薄膜晶體管來確保穩定的電流流動。在色彩飽和度方面OLED顯示器覆蓋100%的Adobe RGB,可以提供更好的圖像質量。它的響應時間非常迅速，沒有運動模糊。OLED顯示器相對于LCD更加薄，更為靈活。因為它們有更少的組件，且不需要背光，有一個固體而不是模塊化的結構。在OLED顯示模塊中執行著顯示教室內人數和光照強度的功能，把通過紅外傳感器和光敏電阻測得的數據顯示在OLED屏幕上。

3 方案論證

3.1 智慧教室節能照明實現方案論證

對于智慧教室照明監測系統的設計，需要解決兩個關鍵的問題。一個是監測人數，另一個是監測自然光的強度。圍繞著這兩個方面，然后按照所要實現的任務，模塊化地進行設計實現，從而確定不同的功能模塊，最終通過一定的方式進行連接。系統包含了系統核心STM32單片機以及輸入用于監測人數的紅外線監測電路和用于監測光照強度的光照監測電路。對于系統的輸出是根據監測教室情況而調整教室內照明的LED指示電路、用于顯示監測的人數、光照的強度的OLED顯示電路以及繼電器執行電路。最終則是通過繼電器的執行電路來進行判斷是否需要開燈，從而實現教室內光照的智能自動調控。通過流程圖將更為清晰、簡明地描述系統方案的實現，通過流程圖的繪制和描述加深對系統功能的理解。

本方案的特別之處在于首先可以通過紅外傳感器監測教室內的人數，這里不僅起著判斷是否有人的作用，同時起著監測人數的作用。其次，它的可見光強度的監測和調光電路都有不同之處。在初始化的同時設定一個光照閾值E0，當測得當時的光照強度E后，與E0進行比較，如果E

3.2 人數監測電路方案論證

在本系統中對人數的監測是首要環節，體現了這個系統“以人為本”的理念。在通過監測人數之后，既起判斷教室內是否有人的作用，又能起著監測教室內的人數的作用,為后續的光照的監測或關燈做出一個初次的判斷。同樣，人數的監測在公共設施和健康安全的監控、進出人員的管理、軍事活動等方面有著重要的意義。但是一般的人數統計和監控花費較大，既要消耗大量的人力，還耗費大量時間，同時不但資源人力成本高，而且人在長時間工作狀態下會有所疏忽。為此，通過研究員們大量的研究，實現了多種人數監測方案，本文選取了最優方案來講解。

本方案是通過紅外避障傳感器來監測人數，紅外避障傳感器具有一對紅外發射和接收二極管，發射管發射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當傳感器的監測方向遇到障礙物時，紅外信號發射回來被接收管接收，經處理之后，通過數字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即利用紅外波的返回信號來識別周圍環境的變化。因此可以利用兩個紅外傳感器來監測人數，在教室門的內外各安裝一個，人進出門時兩個傳感器監測到人的先后順序不一樣，從而對人進行加一減一的計數操作。從而得出進入教室的人數和走出教室的人數。然后通過進入的人數減去出去的人數，最終得出教室內的總人數。本方案反應靈敏，而且價格低廉，是最適合普及使用的。

3.3 可見光強度監測電路方案論證

目前在光照監測技術上常用的一些光電監測器件有光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等，選擇光照傳感器可根據下表進行比較。

光電監測器性能比較表

光照傳感器可以靈敏地監測光照和溫度情況，它可以用來監測室內或一些公共場所的光照，用來滿足所需要的功能。其中使用比較普遍的分別是光敏電阻模塊監測和光敏二極管模塊監測。這兩個模塊的功能基本上一致，都可以感應環境的亮度，作為簡單判斷是白天還是黑夜，是陰天或者晴天。例如，在農業大棚中，通常利用它來監測一天中的光照，可以更好地促進蔬果的生長發育。此外，室內燈光的控制，可以根據不同光線，來調控室內的照明。如在昏暗的雨天，通過監測此時較暗光線，再根據監測數據來決定室內的照明，也是一個較好的方法。同時光敏電阻和光敏二極管都有相同的引腳，從左到右分別是VCC、GND、DO、AO，而且都是低電平出發。

光敏二極管又叫感光元件，光敏二極管與二極管的構造相似，它的內核是一種 PN結，它的感光性質是單方向導電，所以需要在工作時加入一個反相電壓。另一方面，光電二極管監測方案使用一個光敏二極管來監測光的強度。由于光電二極管具有高帶寬和光電流與光強度之間良好的線性關系的特點，因此可以根據它的光監測特點，設計一個簡單的光監測電路。

3.4 系統驗證

基于STM32智慧教室照明監控系統是通過人數監測模塊和光照強度監測模塊采集當前教室環境內的人數與光照強度的數據值，與預先設置好的人數和光照閾值進行比較，從而執行系統的功能。本次系統設置了兩個閾值：首先是人數，當人數為people：0，此時表示教室內無人。此時，不管教室內的光照是強還是弱，教室內的燈光都將處于關閉情況。其次是光照閾值為Light：30%。當人數大于零時，表示教室內有人。當光照強度大于30%時，表示教室內光照較強，則不需開燈。當光照強度不足30%時，表示教室內光照較弱，則需要開燈，如圖2所示。

圖2 教室內有人，且光照較弱的情況

4 結論

本論文設計了一個利用STM32作為控制器的智慧教室照明監測系統，能根據人數以及光照的強弱來實時、動態地控制教室內的照明。首先，對系統的實現做了一系列的論證，列舉了三種有待實現的方案。通過對三種方案的分析，有層次地對系統進行優化，從而得出最有效的方案來實現教室照明的智能控制。接著對人數監測方案和可見光強度監測方案進行論證分析，最終確定了通過紅外傳感器監測人數和通過光敏電阻來監測可見光。同時，也進行系統硬件設計的分析，對處理器模塊的STM32控制器、人體紅外監測模塊的紅外傳感器、可見光強度監測模塊的光敏電阻都進行了介紹，最后進行了系統的軟件和硬件的調試。智慧教室照明監測系統有以下功能：當教室內無人的時候，不管教室內照明強度如何，燈光都將關閉；教室內有人時，如果教室內的光照較為昏暗，那么開燈補光；教室內有人時，如果教室內的光照較為強烈時，那么燈光關閉。這個設計滿足了高校智慧照明的需求，用比較靈敏的傳感器智能監測，能夠實時、動態地判斷人數和光照，實現對教室照明的智能控制，從而達到綠色節能的目標。