丁臻楨

摘 要：針對(duì)教室電能浪費(fèi)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一套教室智能化節(jié)能控制系統(tǒng)，并且給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠根據(jù)教室所處的時(shí)間、教室內(nèi)的人數(shù)以及光照度智能地控制燈具的開關(guān)。微控制器經(jīng)過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將教室內(nèi)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室使用情況的集中監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：STM32;節(jié)能控制;物聯(lián)網(wǎng);WiFi

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）03-0041-02

0 引言

目前社會(huì)上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，尤其是作為培養(yǎng)未來建設(shè)者和接班人的學(xué)校，由于同學(xué)們的節(jié)能意思比較薄弱，自覺性不夠強(qiáng)，校園里能源浪費(fèi)現(xiàn)象非常普遍。比如在光線充足的教室里電燈全亮;空無一人的教室里電燈、空調(diào)等仍然全開等，造成了電能資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，這也與國(guó)家綠色低碳的發(fā)展理念相違背。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多節(jié)能控制系統(tǒng)，這在一定程度上達(dá)到了節(jié)能的目的。例如，劉龍等[1]設(shè)計(jì)了一套基于STM32的教學(xué)樓智能化節(jié)能控制系統(tǒng)，通過檢測(cè)教室內(nèi)的光照度、人數(shù)和溫度來控制照明燈具和電風(fēng)扇的運(yùn)行;劉付偉等[2]采用光照強(qiáng)度傳感器以及對(duì)射式激光管，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室中燈光自動(dòng)開關(guān)以及人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。但是以上系統(tǒng)存在節(jié)能不力、使用環(huán)境受限、節(jié)能控制措施不靈活等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一款節(jié)能效果良好、安裝簡(jiǎn)單、使用方便、便于移動(dòng)控制的智能節(jié)能系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)教室所處的時(shí)間段、教室的人數(shù)以及光照強(qiáng)度靈活控制教室燈具開啟的數(shù)量，以及開啟哪些區(qū)域的燈具。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，系統(tǒng)采用了靈活的控制模式，以滿足教室的不同功用需求?？刂颇Ｊ椒譃閮纱箢悾鹤詣?dòng)模式和人工模式。自動(dòng)模式又分為多媒體上課模式、板書上課模式和自習(xí)模式。具體流程如下：根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間安排，如果當(dāng)前處于上課時(shí)間，安裝在講臺(tái)上方的人體紅外探測(cè)器會(huì)檢測(cè)講臺(tái)上是否有人，以此判斷是否有老師上課。然后根據(jù)投影儀是否有電流輸出，判斷是采用的多媒體教學(xué)或板書教學(xué)。如果采用多媒體教學(xué)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉講臺(tái)上的燈，以達(dá)到良好的投影效果。如果是板書教學(xué)，系統(tǒng)會(huì)開啟講臺(tái)上的燈。如果當(dāng)前不是上課時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的人數(shù)自動(dòng)判斷開啟哪些區(qū)域的燈具。如果教室人數(shù)為零，則關(guān)閉所有的燈。

在人工模式下，操作人員可以通過PC機(jī)或智能移動(dòng)終端（手機(jī)、平板電腦等）來控制開啟教室里哪些區(qū)域的燈具。系統(tǒng)不受時(shí)間、人數(shù)以及光照強(qiáng)度的限制。

系統(tǒng)采用的是控制中心集中控制和管理，教室照明控制器分散執(zhí)行的策略。整個(gè)系統(tǒng)由安裝在每個(gè)教室里的照明控制器，用于集中控制的上位機(jī)和智能移動(dòng)終端，以及無線通訊網(wǎng)絡(luò)組成。照明控制器采用STM32F103微控制器為核心，其作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的處理，它由電源模塊、復(fù)位電路、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及執(zhí)行模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微控制器通過人數(shù)檢測(cè)模塊檢測(cè)教室內(nèi)的人數(shù)，通過光照度傳感器檢測(cè)教室內(nèi)的光照情況，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷是否需要開燈。如果需要開燈，開哪些區(qū)域的燈。同時(shí)這些數(shù)據(jù)會(huì)通過無線傳輸模塊實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光照度檢測(cè)模塊

光照度檢測(cè)模塊采用TAOS公司生產(chǎn)的TSL2561光照傳感器，它具有高速度、量程寬、功耗低、可編程配置等特點(diǎn)。它能把光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)作為微控制器的輸入信號(hào)，并且擁有直接的I2C接口。

STM32微控制器通過I2C總線讀寫光照傳感器的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)的硬件接口的電路比較簡(jiǎn)單，如圖2所示。

2.2 人體紅外檢測(cè)模塊

系統(tǒng)通過人體紅外檢測(cè)模塊來檢測(cè)講臺(tái)上是否有人，從而判斷目前教室是在講課還是在自習(xí)。眾所周知，人體能夠產(chǎn)生9～11μm的紅外線，當(dāng)人體接近紅外探測(cè)模塊時(shí)，人體產(chǎn)生的紅外線經(jīng)過紅外檢測(cè)模塊的濾波系統(tǒng)和放大系統(tǒng)到達(dá)熱釋電紅外傳感器，從而產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)經(jīng)過放大、延遲、濾波之后傳送給微控制器一個(gè)數(shù)字信號(hào)。

系統(tǒng)采用HN911L作為紅外檢測(cè)。HN911L是一種新型的熱釋電紅外的檢測(cè)電路。它使用雙排的6腳直插式的封裝方式，把靈敏度高的放大器、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)處理、比較器、延時(shí)以及輸出電路全都集中到一個(gè)芯片上，擁有控制信號(hào)的接收到信號(hào)輸出的所有功能[3]。

紅外檢測(cè)模塊的電路如圖3所示，將紅外檢測(cè)模塊的引腳3作為電源端，引腳6進(jìn)行接地，引腳4與引腳5中間放了一個(gè)內(nèi)部放大器的反饋電阻外接端子，并由閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋值控制增益大小，以便調(diào)節(jié)紅外檢測(cè)模塊的靈敏度。

2.3 人數(shù)檢測(cè)模塊

系統(tǒng)中人數(shù)的檢測(cè)使用在教室門口安裝的對(duì)射式紅外計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。為了區(qū)別學(xué)生的進(jìn)出方向，使用兩組發(fā)射頭和兩組接收頭，將其發(fā)射端和接受端分置于門口兩邊，稱之為紅外M組和紅外N組。當(dāng)有人通過門口時(shí)，若先遮擋了紅外M組的紅外線，則產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)計(jì)數(shù)電路，這就說明這個(gè)人是進(jìn)入教室的，教室內(nèi)總?cè)藬?shù)要加一;與此相反時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)算人數(shù)減一。人數(shù)檢檢測(cè)原理如圖4所示。

2.4 無線通信模塊

方案選取TK-ESP8266作為系統(tǒng)的無線通信模塊。它一款高性能串口-無線模塊，它板載ESP8266模塊，通過串口和主控芯片通訊，內(nèi)置TCP/IP棧協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)WiFi和串口之間的轉(zhuǎn)換。它支持STA、AP和STA+AP三種模式，此外它還具有性能穩(wěn)定、集成度高、低能耗等優(yōu)點(diǎn)[4]。無線通信模塊的電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為智能照明控制器部分和上位機(jī)及智能移動(dòng)終端遠(yuǎn)程管理控制平臺(tái)部分。智能照明控制器部分在RealView MDK平臺(tái)下開發(fā)，上位機(jī)和智能移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)在Visual Studio 2017環(huán)境下開發(fā)。

智能照明控制器部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通信和燈具的控制，其中包括光照度檢測(cè)、人體紅外檢測(cè)、人數(shù)檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)控制、無線通信、顯示和報(bào)警等功能。其流程圖如圖6所示。

上位機(jī)軟件是管理人員對(duì)照明控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置、控制和查詢的可視化界面。通過上位機(jī)軟件，管理人員可以對(duì)上課時(shí)間、樓層、教室、開燈的最低照度值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通過上位機(jī)可視化界面，管理人員管理員可以查看每棟教學(xué)樓、每個(gè)教室的光照度值、有沒有人、人數(shù)多少、上課狀態(tài)還是自習(xí)狀態(tài)等;還可查看教室內(nèi)相關(guān)區(qū)域燈具的開關(guān)情況。此外，通過上位機(jī)可視化界面還可以集中把教室的燈具設(shè)備強(qiáng)制開啟或關(guān)閉;可通過人工模式手動(dòng)開啟或關(guān)閉教室某些區(qū)域的燈具等。移動(dòng)智能終端主要方便對(duì)教室照明的控制，它通過無線網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)出請(qǐng)求，然后由上位機(jī)對(duì)照明控制器發(fā)出命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈具的控制。

4 結(jié)語

本文采用STM32作為微控制器，設(shè)計(jì)了一套教室智能化節(jié)能控制系統(tǒng)，并且給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠根據(jù)教室所處的時(shí)間、教室內(nèi)的人數(shù)以及光照度智能地控制燈具的開關(guān)。微控制器通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將教室內(nèi)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室照明使用情況的集中監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉龍，李鐘慎.教學(xué)樓智能化節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，12（29）：1876-1881.

[2] 劉付偉，欒盈盈，李洋.基于PIC單片機(jī)的教室照明系統(tǒng)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2013，25（1）：27-29.

[3] 吳愛萍.基于VB與單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（8）：208-210.

[4] 林一多，高德云.基于ARM的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（5）：1145-1148.