耗能型廣告智能節(jié)能控制器設(shè)計與實現(xiàn)

陳啟健，梁桃華

（成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都，610041）

1 概述

廣告是商家和廣大潛在客戶進行信息溝通的主要渠道，幾乎滲透在現(xiàn)代城市生活的每時每處，是工業(yè)革命后現(xiàn)代商業(yè)社會的重要組成部分。除了靜態(tài)印刷廣告，大部分是電能消耗型廣告，如可翻轉(zhuǎn)平面廣告、燈箱廣告、語音廣告和視頻廣告等。因而，廣告消耗的電能消耗巨大。電能供應(yīng)卻越來越難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生產(chǎn)和生活需求，許多國家和地區(qū)出現(xiàn)了“電荒”或因為供電不足導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰等問題。

目前，人們開始思考降低廣告的能耗。文獻[1]的研究內(nèi)容是從廣告屏本身找到節(jié)能突破點。其缺陷是局限于基于LED 顯示屏的廣告牌，不能滿足所有戶外耗電廣告，如燈箱廣告、電腦顯示器和電視顯示器視頻廣告、語音廣播廣告、可翻轉(zhuǎn)平面廣告等都不能涵蓋。文獻[2]對燈箱廣告采取了節(jié)能措施。遺憾的是，該改進方法適用對象單一，僅僅局限于燈箱廣告。在能源日益寶貴的現(xiàn)代社會，如果能設(shè)計一種能普遍適用于電能廣告的節(jié)能控制器，將具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 節(jié)能控制方法探索及其系統(tǒng)實現(xiàn)

在保證廣告宣傳效果的基礎(chǔ)上，怎樣才可以降低廣告系統(tǒng)的電能消耗呢？現(xiàn)實是，室外用電廣告系統(tǒng)常常在沒人的時候，處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)致白白消耗電能；或者是在有人路過的時候，處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致白白浪費廣告宣傳機會，降低了廣告宣傳效能，也是一種資源的浪費。針對這種情況，本文設(shè)計了一種能判斷是否有人存在或經(jīng)過、從而判決并控制廣告開啟與關(guān)閉的智能控制器。

■2.1 節(jié)能控制方法

該控制器主要功能是，通過傳感器檢測是否有人在附近，或者有受眾路過廣告視距范圍，由此微控制器進行判決、控制廣告開啟與關(guān)閉。具體而言，當(dāng)傳感器檢測到廣告受眾處在或者進入廣告屏幕視距范圍時，控制器控制廣告開啟，實施廣告?zhèn)鞑ァ．?dāng)傳感器檢測到受眾不在場或者離開后，控制器關(guān)閉廣告屏或者廣告播放器。這樣，可以實現(xiàn)廣告精準傳播，保證了傳播效能不但不降低，反而得到提升[3]；同時又能有效節(jié)能。

■2.2 控制器定位

本控制器在廣告系統(tǒng)承擔(dān)核心決策控制功能，輔助以傳感器模塊和廣告播放模塊。通過對傳感器模塊提供的信息，本控制器決定播放模塊是否啟動。播放模塊收到指令后播放或關(guān)閉廣告。

■2.3 系統(tǒng)組成及設(shè)計

2.3.1 硬件組成

在硬件方面，該控制系統(tǒng)由微控制器及其最小系統(tǒng)、紅外檢測模塊、超聲波檢測模塊和廣告控制信號輸出電路等部分組成。系統(tǒng)以微控制器STM32F103C8 為核心，以人體感應(yīng)傳感器組和距離傳感器組為主要傳感器，對廣告受眾情況進行信息采集和判斷，從而判決是否驅(qū)動廣告開啟。STM32F103C8 內(nèi)置定時器具有輸入捕獲功能。

圖1 硬件組成框圖

2.3.2 遠距離移動受眾檢測與控制策略

遠距離傳感器可以探測數(shù)十米甚至數(shù)公里較遠距離判斷是否存在移動受眾。有超聲波、激光和微波等方式測量距離。傳感器不同，其探測距離、側(cè)重點和準確度也不一樣。本設(shè)計采用超聲波距離傳感器配合紅外傳感器，其優(yōu)點是成本低、能耗小，缺點是探測方向性強。

圖2 超聲波檢測模塊電路示意圖

超聲波距離傳感器具有精度高、測距范圍較大且成本低等特點。本次使用的是HCSR04 超聲波模塊有4 根引腳，其中3 號引腳是觸發(fā)引腳TR，2 號引腳是反饋信號引腳Echo。其余兩引腳分別為電源和接地，根據(jù)其時序圖，首先控制器給觸發(fā)端TR 發(fā)一個脈寬不低于10μs 的脈沖信號進行測距觸發(fā)。而后超聲波傳感器發(fā)送出超聲波。當(dāng)有超聲波被反射回來時，傳感器模塊就從Echo 端發(fā)出一段脈沖信號，其時間長度與測試距離成正比。

其中超聲波在空氣中的速度v ≈340 米/秒，t 為超聲波傳感器回響時間，即超聲波發(fā)送和發(fā)射回來的時間，超聲波經(jīng)過的路程是距離的2 倍，所以距離公式里要除以2。

（1)捕獲回響信號的方案選擇

對于回響信號Echo 脈沖寬度測量，可以采用查詢電平方式、外部中斷方式和定時器輸入捕獲方式，由此可有三種方案。第一種方案是“電平掃描查詢+定時器計時”，采用while 語句循環(huán)掃描查詢Echo 端電平方式，檢測到上升沿跳變后，啟動定時器中斷來記錄定時器溢出次數(shù)，直到下降沿為止，可近似算出脈沖寬度時間。第二種方案是“外部中斷捕獲跳邊沿+定時器定時”。外部中斷替代上述方案一的跳變沿捕獲，其余相同。第三種方案是“定時器輸入捕獲”。這種方案通過定時器同時完成“跳變沿捕獲”和“計時”兩大功能。這種方案要求選擇STM32F1XX 的具有同時具有輸入捕獲中斷和定時器更新（溢出)中斷功能的定時器，如TIM1 或TIM8。這樣可以把同一個定時器既可以對超聲波輸出的Echo 信號進行上升沿下降沿檢測，還可以同時對高電平完成計時功能。比較而言，方案一編程簡單，但精度較低；方案二精度較高，但涉及資源多，編程復(fù)雜；方案三精度最高，編程難度適中。第三種方案要求定時器有輸入捕獲功能。本次設(shè)計嘗試過上述三種方案。鑒于篇幅，僅介紹第三種輸入捕獲方案。

（2)捕獲回響信號的硬件連接和引腳配置

由于要精確捕獲超聲波脈沖回響信號的上升沿和下降沿，所以與Echo 端子連接的微控制器引腳應(yīng)具有外部中斷或者輸入捕獲功能。所采用芯片為STM32F103C8，該芯片內(nèi)定時器除了TIM6 和TIM7 之外，其余都具有輸入捕獲功能（Input capture)。該功能基于定時器，可以對輸入信號的跳變進行捕獲。所以選擇能進行輸入捕獲的引腳PA10與Echo 相連。其初始化分為三大步驟：引腳GPIO 配置，定時器時基配置和定時器輸入捕獲配置。具體的，與Echo相連的引腳PA10 設(shè)置為輸入浮空模式：

初始化開啟定時器TIM1。初始化NVIC 時，選擇定時器更新中斷和輸入捕獲中斷：

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn|TIM1_CC_IRQn;

在結(jié)構(gòu)體TIM_ICInitStructure 初始化中，非常關(guān)鍵的一步是選擇輸入捕獲通道TIM_Channel_3 映射到引腳PA10，并設(shè)置為雙邊沿觸發(fā)：

在初始化TIM1 的時候配置好定時器溢出中斷的重載值和預(yù)分頻值設(shè)置多少影響不大，可以預(yù)估時間數(shù)量級設(shè)置，本設(shè)計重載值選擇最大值65536-1。預(yù)分頻值為72-1。定時器TIM1 的重點是輸入捕獲設(shè)置，邊沿檢測選擇上升沿和下降沿都檢測。另一個需要注意的是，鑒于當(dāng)Echo 信號結(jié)束時，輸入捕獲中斷要能打斷溢出中斷，所以輸入捕獲的優(yōu)先級應(yīng)高于定時器溢出中斷。初始化過程務(wù)必關(guān)閉（失能)溢出中斷和輸入捕獲中斷。

準備完成后，在主程序while(1)循環(huán)語句中調(diào)用自定義的觸發(fā)函數(shù)。觸發(fā)函數(shù)對TR 端先發(fā)出10ms 以上的矩形波觸發(fā)信號，緊接著開啟輸入捕獲中斷使能，并等待檢測結(jié)束。

捕獲中斷函數(shù)TIM1_CC_IRQHandler()啟動后，判斷是上升沿觸發(fā)，就使能溢出中斷開始計時，溢出后觸發(fā)中斷函數(shù)TIM1_UP_IRQHandler()。第二次觸發(fā)捕獲中斷函數(shù)后，立即失能溢出中斷，關(guān)閉計時。檢測結(jié)束后，計算檢測結(jié)果，完成一次檢測。定時器TIM 中斷要區(qū)分“定時器TIM 溢出中斷”和“定時器輸入捕獲中斷”功能，二者都編寫在同一段中斷函數(shù)程序里。根據(jù)超聲波回響信號特點，首先要在輸入捕獲初始化設(shè)置里配置為上升沿跳變中斷，即：

當(dāng)Echo 端捕獲到上升沿跳變后，就開啟下降沿跳變判斷，并記錄溢出中斷的次數(shù)，直到檢測下降沿跳變。開啟下降沿跳變判斷的語句是：

其中變量N 根據(jù)所采用通道選擇1-4，定時器編號x根據(jù)所選定時器選擇1-5。檢測到下降沿后，只記錄計數(shù)器剩余值，并關(guān)閉定時器。測試時間采用定時器計時。定時器計時方式是：

其中，OF 是定時器溢出次數(shù)，ARR 是定時器自動重載周期，RM 是計時結(jié)束時定時器未溢出計數(shù)量，psc 為預(yù)分頻值，Tclk 為系統(tǒng)時鐘周期。根據(jù)超聲波距離傳感器需求，選擇了普通引腳PA11 與TR 相連，其設(shè)置為輸出推挽模式：

（3)遠距離移動受眾的超聲波檢測及其控制策略

通過超聲波傳感器檢測目標(biāo)方向障礙物的距離。如果檢測到某個方向的距離變化超過了設(shè)定閾值，則表示有移動物體，視為有受眾，即可開啟廣告；若距離變化低于設(shè)定閾值，否則關(guān)閉廣告。為減少干擾，測距變化閾值大約0.5 米以上比較合適。所以本程序中，把距離傳感器測到的距離變化超過1 米，就可以判定為有移動受眾進入，從而可以較為準確地開啟廣告播放。不足的是，這種方式不能區(qū)分出動物。

2.3.3 近距離人體紅外檢測設(shè)計

本次設(shè)計中采用人體熱釋電紅外傳感器(PIR)模塊組進行人體判斷，其優(yōu)點是成本低，沒有太強的方向性，所以范圍寬，但距離近。PIR 主要通過電平是否發(fā)生變化來判斷是否有受眾。PIR 檢測到人體發(fā)出紅外波后輸出高電平，觸發(fā)外部中斷。外部中斷程序的任務(wù)就是修改廣告開啟允許標(biāo)志En 和延時時長t延時。注意PIR 有兩種觸發(fā)模式：不可重復(fù)觸發(fā)方式和重復(fù)觸發(fā)方式。前者在感應(yīng)輸出高電平后，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖剑缓笳咴诟袘?yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖健１敬卧O(shè)置為重復(fù)觸發(fā)方式。熱釋電紅外檢測方式適合在室內(nèi)、電梯內(nèi)等環(huán)境下近距離判斷。

圖3 紅外檢測模塊電路示意圖

2.3.4 廣告控制輸出電路與開閉決策機制設(shè)計

（1)廣告控制信號輸出電路

由于耗電型廣告有燈箱廣告、可翻轉(zhuǎn)平面印刷廣告、點陣電子屏廣告和液晶顯示屏廣告等。所以不同廣告其控制電路大不相同。有的是輸出電源控制信號，有的輸出決策控制信號。本次設(shè)計面對燈箱廣告，輸出信號控制繼電器實現(xiàn)廣告燈的開啟或熄滅。

圖4 廣告控制信號輸出電路示意圖

（2)廣告開閉決策機制

由于廣告的開啟涉及多個傳感器影響。廣告開啟采用或邏輯，只要任意傳感器檢測到受眾后，都會修改廣告開啟允許標(biāo)記En 為1，并修改延時值t延時為最大值（如30s)，從而開啟廣告并保持時長t延時。當(dāng)受眾消失后，每個傳感器都會發(fā)出一個“允許關(guān)閉”的信號。而關(guān)閉則不能由某個傳感器單獨直接關(guān)閉廣告，是所有傳感器都發(fā)出“允許”關(guān)閉廣告指令后，才能關(guān)閉廣告。也就是進行與邏輯運算。

圖5 程序流程圖

（3)廣告保持時間的控制設(shè)計

廣告工作時間保持多久可以根據(jù)廣告所處室內(nèi)外環(huán)境、人們活動頻度、播放設(shè)備是否適合頻繁啟動。比如廣告是戶外廣告，可以在很遠的地方看見，則可以保持久一些；在狹小的室內(nèi)，則可以保持較短時間。白天行人多，可以保持久一些，晚上行人出現(xiàn)概率小，則保持短一些。開啟關(guān)閉會影響壽命的設(shè)備，其廣告時間可以保持久一些，如使用顯示器的視頻廣告則可以長一些，避免頻繁啟動機器；使用LED燈的燈箱廣告則不受限制。

■2.4 能耗及廣告宣傳性能分析

（1)節(jié)能方面，以每天t 小時播放的廣告為例，本控制器的能耗節(jié)省百分比例η為：

式中，P為廣告播放器消耗功率，ρ為廣告受眾出現(xiàn)的時間概率。可見，在人員出現(xiàn)越稀少的時間和地方，節(jié)能效果越明顯。

（2)廣告效果方面，根據(jù)廣告心理學(xué)，在受眾出現(xiàn)時，控制器突然播放廣告，能非常有效地引起受眾的注意，達到提高感官的沖擊力、避免感官麻木等效果。所以，突然打開的廣告不僅節(jié)省能耗，還可以提高廣告沖擊力。

（3)控制器對使用壽命有兩個相反的影響其一，播放時間的減少，能減少壽命折損；其二，頻繁啟動會降低敏感產(chǎn)品的使用壽命，如白熾燈、熒光燈等。所以，為了減少使用壽命損耗，可以控制在人員過于稀少時完全停止播放廣告。進一步地，用LED 燈替代白熾燈和熒光燈等。

3 小結(jié)

文中介紹的廣告節(jié)能控制器可根據(jù)受眾是否在場信息，提供廣告開啟或關(guān)閉決策信號，從而降低了能耗，并因為廣告的突然開啟提高了廣告沖擊力。該控制器能適用于幾乎所有耗電型廣告。結(jié)果表明，本控制器對于節(jié)省能耗、提高廣告的宣傳等效果明顯，對于能源日益緊缺的現(xiàn)代社會，以及建設(shè)低碳生活等國家戰(zhàn)略實現(xiàn)，具有重要意義。作為展望，本系統(tǒng)可以把傳感器端與主機通信設(shè)計出成無線通信，布局更加靈活；另外，把傳感器設(shè)置成圖像人工智能識別，將更加有效。