西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 張婉晴 董佳佳 張本諭 潘 陽 覃江泉

伴隨著社會用電需求的不斷增加，我們面臨著用電負(fù)荷持續(xù)攀升的現(xiàn)狀。以大學(xué)校園用電為例，許多大學(xué)不斷擴(kuò)大招生規(guī)模，導(dǎo)致校園內(nèi)對照明的需求愈來愈多；同時，由于大部分同學(xué)的節(jié)能意識相對薄弱，導(dǎo)致了天明燈亮、人走燈亮等現(xiàn)象屢有出現(xiàn)。每天晚上教學(xué)樓閉樓時，教學(xué)樓業(yè)務(wù)管理人員需要到每一間教室去關(guān)燈，這必然會造成巨大的電能和人力資源的浪費(fèi)。因此，為提高教室的用電效率和管理水平，本文設(shè)計了一款智能型節(jié)能教室系統(tǒng)。相對于其他傳統(tǒng)教室，該教室可有效解決各大院校教室、工廠、體育館、圖書館等場所的無人燈開、天明燈開的現(xiàn)象。本設(shè)計采用單片微控制器的多樣化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，在滿足照明需求的同時，為學(xué)校節(jié)省了電力資源和人力資源的開支。另外，它能夠顯著提高教室內(nèi)燈光的能源利用率，生產(chǎn)成本低且便于調(diào)試安裝，有效地緩解電力資源的緊缺，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分構(gòu)成。其中，硬件部分主要以單片機(jī)（STM32F103V3）系統(tǒng)為核心電路，其外圍電路包括：系統(tǒng)供電模塊、環(huán)境光線采集模塊、按鍵輸入模塊、人體紅外感應(yīng)電子模塊、系統(tǒng)時鐘模塊、超時報警模塊等。本系統(tǒng)的軟件部分主要對光線、時間及人數(shù)等變量進(jìn)行采集、判斷和處理，并通過不斷調(diào)試使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)單元框架圖

1.2 系統(tǒng)基本方案

首先，本系統(tǒng)設(shè)計的基本方案是分白天模式和晚自習(xí)模式兩種模式實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能：

（1）白天模式主要是利用光敏電阻傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境的光線亮度，將檢測信號返回給單片機(jī)，將檢測信號值與設(shè)定光線值進(jìn)行比較，若前者低于后者，表明此時環(huán)境光線較暗，系統(tǒng)會自動提供照明服務(wù)；反之，系統(tǒng)將不會允許開燈，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能化。在教室門前安裝人體紅外熱釋傳感器作計數(shù)處理，并將教室內(nèi)人數(shù)顯示于教室液晶顯示屏，以便老師了解學(xué)生的出勤率；同時，當(dāng)學(xué)生下課離開教室忘記關(guān)燈的情況下，教學(xué)內(nèi)的燈會自動熄滅。

（2）在晚自習(xí)模式下，初始狀態(tài)只有第一間教室亮燈可以使用，其他教室無法使用。當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)過半時，逐漸開放各個教室以達(dá)到節(jié)能的功能?？紤]到一些學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)而忘記回宿舍休息，此模式增加報警設(shè)置，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時間（如23：00）時啟動超時報警，提醒學(xué)生回宿舍。在一定的緩沖期后，教室內(nèi)的燈會自動熄滅。

為驗(yàn)證此設(shè)計的可用性，提高可信度，可以利用攝像頭實(shí)時監(jiān)控教室情況。為便于學(xué)生查找教室進(jìn)行自習(xí)，在教學(xué)樓大廳增加顯示器用于顯示各間教室的使用情況。防止單片機(jī)在工作過程中產(chǎn)生程序死機(jī)等情況，加入看門狗模塊使其恢復(fù)并重新工作；同時，加入EEPROM模塊，在重新復(fù)位后具有斷電保護(hù)功能，可馬上恢復(fù)工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計采用的主控芯片STM32F103V3是一款專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核處理器。該芯片內(nèi)部集成多種外設(shè)功能，如定時器Timer、ADC、SPI、UART、I2C等，可廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、應(yīng)用控制、醫(yī)療等領(lǐng)域，是一款常用的增強(qiáng)型系統(tǒng)的微控制器。其供電模塊采用AD-DC電源模塊，實(shí)現(xiàn)200 V轉(zhuǎn)5 V，接入單片機(jī)后實(shí)現(xiàn)對主控芯片及其外圍電路的供電。本系統(tǒng)采用4線制光敏電阻傳感器，為了更加精準(zhǔn)地獲取教室環(huán)境的光線強(qiáng)度，將模擬量輸出端A0與STM32F1單片機(jī)的引腳PF8端口相連，利用AD模塊完成代碼的編寫，即可得到準(zhǔn)確的光照值。由于教室的大小不同，在晚自習(xí)模式下則利用矩陣鍵盤對教室人數(shù)總?cè)萘窟M(jìn)行初始設(shè)置。初始狀態(tài)下只有第一間教室亮燈，當(dāng)教室人數(shù)過半時逐步開放后續(xù)教室，以達(dá)到節(jié)能的效果。根據(jù)人們的行為特征，將兩個光電傳感器分別設(shè)置在門的內(nèi)、外側(cè)，可以在統(tǒng)計教室人數(shù)的同時，將人數(shù)顯示于液晶顯示屏，以便老師了解學(xué)生出勤率；同時，在室內(nèi)無人時強(qiáng)制斷電，將智能化與節(jié)能融為一體。熱釋電紅外傳感器采用雙元探頭，當(dāng)人體經(jīng)過探頭的左右方向時,發(fā)出的紅外光譜到達(dá)雙元的時間和距離會存在差值，且差值愈大感應(yīng)愈靈敏。但是，當(dāng)人體從正面走向探頭或經(jīng)過探頭的上下方向時，雙元探無法檢測紅外光譜距離上的變化，此時不存在差值，導(dǎo)致感應(yīng)不靈敏甚至不工作。為了使該模塊能夠具有更大的感應(yīng)腳范圍，采用菲泥爾濾光透鏡使得探頭四面都能感應(yīng)到，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的靈活性和準(zhǔn)確性，我們在教室過道橫向、豎向安裝多個熱釋電傳感器，采用全自動感應(yīng)以感應(yīng)人體是否進(jìn)入教室，對人體進(jìn)行計數(shù)。系統(tǒng)的照明模塊為綠色環(huán)保的LED半導(dǎo)體光源，其光線柔和、光譜純凈，利于保護(hù)用戶視力，滿足用戶體驗(yàn)。雖然單個LED的體積小，但其壽命較長、適用性能好，可根據(jù)用戶需要做成任何形狀。相較于普通燈具，其回應(yīng)迅速且外形堅固、不易損壞，由無毒的材料制成，可回收利用。本系統(tǒng)還裝有超時報警模塊，當(dāng)時間超過設(shè)定時間，其會報警通知學(xué)生離開教室，并在一定的緩沖期后，關(guān)閉教室照明系統(tǒng)。同時，通過攝像頭監(jiān)控本系統(tǒng)，驗(yàn)證其可行性。在教學(xué)樓大廳實(shí)時顯示當(dāng)前教室的情況及每間教室的使用情況，以便學(xué)生能夠迅速找到教室學(xué)習(xí)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示，其使用的編程語言是易學(xué)易用的基礎(chǔ)語言——C語言，使用的編譯器為Keil 5。在程序設(shè)計過程中，明確本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能；逐步分解和細(xì)化這些功能要求，并對其進(jìn)行模塊化編程，完成函數(shù)初始化；編寫主函數(shù)，確定函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系；優(yōu)化設(shè)計模塊之間的調(diào)用關(guān)系。這種編程方法降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性，提高了代碼的可重用性和可維護(hù)性，在發(fā)現(xiàn)問題時能夠及時找出問題并修改，利于團(tuán)隊開發(fā)。

系統(tǒng)上電初始化后，設(shè)定定時器并允許定時器中斷。自動運(yùn)行看門狗系統(tǒng)，若發(fā)生意外，啟動EEPROM模塊存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)進(jìn)行判斷。按下輸入數(shù)值進(jìn)行教室人數(shù)總?cè)萘康脑O(shè)定，完成攝像頭系統(tǒng)圖像的采集；同時，進(jìn)行環(huán)境光線的采集，對當(dāng)前環(huán)境光線亮度進(jìn)行判斷，若環(huán)境光達(dá)到設(shè)定光線閾值，表明當(dāng)前環(huán)境光線充足，燈將無法打開。若光線亮度未達(dá)到閾值，啟動人體感應(yīng)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能開燈。在設(shè)定定時器后，也將執(zhí)行時鐘處理任務(wù)，若當(dāng)前時間超過設(shè)定時間后，啟動超時報警功能，實(shí)現(xiàn)智能關(guān)燈。

圖2 系統(tǒng)軟件程序流程圖

結(jié)束語：本文綜合利用了應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)完成了對智能型節(jié)能教室系統(tǒng)的研究和設(shè)計。首先，學(xué)習(xí)部分模塊并編寫相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)代碼，基本功能實(shí)現(xiàn)后，開始進(jìn)行硬件電路的焊接。最后進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)試，使軟硬件相互配合以確保該系統(tǒng)能夠正常工作，觀測其調(diào)試結(jié)果是否符合設(shè)計要求。同時，需要模擬不同光線不同時間下的教室情況，多次試驗(yàn)避免偶然性，逐漸優(yōu)化代碼及硬件設(shè)施，完善系統(tǒng)功能，提高項(xiàng)目可行性。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）節(jié)能性：白天開啟白天模式，晚上開啟晚自習(xí)模式，避免“長明燈”的出現(xiàn)，人走燈滅，控制設(shè)備能耗極低，供電設(shè)備可進(jìn)行科學(xué)智能供電，節(jié)約大量的電力資源。（2）操作簡便性：在使用過程中，人們只需進(jìn)入教室，無需任何操作，該系統(tǒng)便能自動檢測并為用戶提供照明設(shè)置，安裝時無需改變公共場所或民用場所內(nèi)的原有設(shè)備位置，使用簡便、適用范圍廣。（3）智能性：在教室的門口設(shè)置紅外傳感器，以達(dá)到對教室人數(shù)的計數(shù)功能；在統(tǒng)計教室人數(shù)的同時，將人數(shù)顯示于教室液晶顯示屏，以便老師了解學(xué)生出勤率；相鄰的自習(xí)室具有相關(guān)性，前一個自習(xí)室人數(shù)過半才允許開放第二個自習(xí)室供學(xué)生使用。