李 昊 任印豪 王聞琦 劉欽凡 唐寶玲

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院 安徽 宿州 234000

引言

通過數(shù)據(jù)調(diào)查,在校園生活中,照明用電量占額可達(dá)三分之一甚至更多,校園室內(nèi)常出現(xiàn)沒有及時(shí)開關(guān)燈具的現(xiàn)象,有時(shí)在借助自然光能正常工作或夜晚教室沒人自習(xí)時(shí),教室也燈火通明,造成大量的能源浪費(fèi)。

一般校園的照明系統(tǒng)大都是使用普通的聲控、光控傳感器組成的開環(huán)控制系統(tǒng),一方面靈活性差、工作及待機(jī)時(shí)消耗的功率高、而且不可人為干預(yù);另一方面,燈具在不必要時(shí)的使用會(huì)大大縮短其壽命。所以構(gòu)建一套智能且低耗的校園室內(nèi)照明控制系統(tǒng)是一個(gè)迫在眉睫的工作,此設(shè)計(jì)不僅起到減少學(xué)校用電量開支的作用,同時(shí)也可以使樓宇的監(jiān)管人員減少檢查燈具亮滅所消耗的時(shí)間;在積極響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能號(hào)召的同時(shí),享受智能化時(shí)代帶來的便利!

本設(shè)計(jì)通過使用多種傳感器,精確的使燈具在需要使用時(shí)啟動(dòng),達(dá)到節(jié)能的目的,同時(shí)主控臺(tái)時(shí)時(shí)檢測(cè)并可控制樓宇內(nèi)教室與走廊上的燈具,管理更統(tǒng)一集中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為走廊照明系統(tǒng)與室內(nèi)照明系統(tǒng),基本滿足校園室內(nèi)照明的基本要求;主要采用ST M32微控制器,TFT觸控顯示屏,光敏傳感模塊TSL230,人體紅外模塊HC-SR501,LED燈,SG-90舵機(jī)等;

控制器通過AD采集傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),進(jìn)行分析是否需要對(duì)LED燈進(jìn)行供電,以及是否對(duì)無人環(huán)境中的工作LED燈進(jìn)行斷電,所有數(shù)據(jù)均可從顯示屏上觀測(cè)到,也可直接進(jìn)行控制。

設(shè)計(jì)原理如圖所示：

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器 本系統(tǒng)采用ST M32 微控制器,核心芯片為ST M32F407,采用Cortex M4內(nèi)核,擁有192KB的片內(nèi)SRAM,具有更快的數(shù)模轉(zhuǎn)換速度,最高運(yùn)行頻率可達(dá)168 Mhz而功耗低至140u A/Mhz。其數(shù)據(jù)處理等功能要遠(yuǎn)高于普通的51單片機(jī),滿足高性能低功耗的要求。

2.2 走廊照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 走廊照明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包含光敏模塊,人體紅外模塊,LED燈以及若干條用于連接微控制器的杜邦線。

2.3 教室照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 教室照明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包含按鍵,光敏模塊,人體紅外模塊,舵機(jī),LED燈以及若干條用于連接微控制器的杜邦線。

2.4 顯示及控制端硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的顯示組件為TFT3.5寸觸摸電阻屏,直接與微控制器連接,可以在其上查看各室內(nèi)燈具的狀態(tài),并通過觸摸進(jìn)行基本控制。

控制端整體采用STM32F4開發(fā)板,通過一定數(shù)量的IO 端口與教室及走廊的硬件電路進(jìn)行連接,從而起到數(shù)據(jù)收集處理和直接控制的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)軟件主要分為走廊照明系統(tǒng)、教室照明系統(tǒng)、顯示及微控制端三個(gè)方面,均通過KELI5軟件,用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)處理 光敏傳感器模塊與人體紅外傳感器模塊在工作時(shí)均通過傳送電平信號(hào),利用微控制器的ADC通道來讀取傳感器信號(hào)端電壓的變化,從而得到環(huán)境光線的變化及是否有人存在;將電平信號(hào)通過簡(jiǎn)單量化后,處理為0～100的數(shù)值,便于用戶進(jìn)行對(duì)閾值的設(shè)定。

3.2 走廊照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化完成后,走廊部分硬件電路會(huì)開始工作,首先光敏模塊工作,當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)未達(dá)到用戶設(shè)定的閾值時(shí)(即自然光強(qiáng)度高時(shí)),其余的部分不工作;

當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)達(dá)到用戶設(shè)定的閾值時(shí)(即自然光強(qiáng)度低時(shí))向微控制器發(fā)送電平信號(hào),使電路中的人體紅外模塊開始工作,檢測(cè)是否有人經(jīng)過,并向微控制器發(fā)送電平信號(hào),決定LED燈是否點(diǎn)亮。

LED燈被觸發(fā)后會(huì)立刻點(diǎn)亮,默認(rèn)五秒后熄滅,若此過程中仍有人出現(xiàn)在人體紅外模塊檢測(cè)范圍內(nèi),LED燈將會(huì)持續(xù)點(diǎn)亮直至人離開。

軟件流程圖下圖所示：

3.3 教室照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化完成后,教室部分硬件電路不會(huì)工作,直至有人開啟LED燈開關(guān),此時(shí)微控制器會(huì)收到信號(hào),并向室內(nèi)光敏模塊發(fā)送檢測(cè)信號(hào),倘若室內(nèi)光照強(qiáng)度未達(dá)到用戶設(shè)定的閾值(即自然光強(qiáng)度高時(shí)),則LED燈不工作;

當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)光強(qiáng)達(dá)到用戶設(shè)定的閾值時(shí)(即自然光強(qiáng)度低時(shí)),LED燈亮,燈亮過程中,人體紅外模塊會(huì)在舵機(jī)的牽引下定時(shí)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行掃描檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到無人存在時(shí),向微控制器發(fā)送電平信號(hào),使LED燈熄滅,此時(shí)室內(nèi)系統(tǒng)停止工作,直至下一次按鍵被觸發(fā)。

軟件流程圖下圖所示：

3.4 顯示及控制端軟件設(shè)計(jì) TFT 顯示屏上負(fù)責(zé)劃區(qū)域顯示每個(gè)位置的燈具狀態(tài)以及各類傳感器的使用情況,并且能夠通過單擊屏幕關(guān)閉對(duì)應(yīng)區(qū)域的LED燈,達(dá)到樓宇內(nèi)照明情況在控制端可以一目了然,且智能控制與人為控制共同加持的效果;

控制端主要用來分析樓宇各位置傳感器采集到的數(shù)據(jù),并作出相應(yīng)的命令指示硬件電路進(jìn)行正常工作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)實(shí)物的制作試驗(yàn),該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)走廊燈具以及教室燈具的良好監(jiān)測(cè)與智能控制：

走廊控制系統(tǒng)會(huì)在光線強(qiáng)度弱的情況下運(yùn)行,靈敏的辨別是否有人通過,若有人,LED燈亮,直至行人離開,LED燈熄滅;

教室控制系統(tǒng)會(huì)在開關(guān)被觸碰情況下,對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行分析,環(huán)境光強(qiáng)度弱時(shí)燈亮,反之燈不亮,并在LED燈工作過程中定時(shí)檢測(cè)室內(nèi)是否有人,若有人則LED燈正常工作,無人時(shí)燈關(guān)閉;

兩種控制系統(tǒng)基本涵蓋了校園室內(nèi)對(duì)燈具使用的需求,通過良好的邏輯控制,大大減少燈具對(duì)電量的消耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行,對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制,保證學(xué)生正常學(xué)習(xí)為前提,自動(dòng)化開啟或關(guān)閉照明設(shè)備,相比較普通照明系統(tǒng)而言,降低能源消耗。結(jié)合校園發(fā)展的趨勢(shì)及照明現(xiàn)狀,該系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。