王雯嬌

長春金融高等?？茖W(xué)?，F(xiàn)代教育中心，吉林 長春 130012

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國民生活水平的不斷提升，室內(nèi)照明已經(jīng)不限于服務(wù)人們的基本生活，而成為人們在生活、工作以及學(xué)習(xí)過程中的重要保障，良好的室內(nèi)照明能夠有效提升人們的生活、工作以及學(xué)習(xí)的質(zhì)量。在我國各級學(xué)校中，多媒體教室都是十分重要的教學(xué)資源，但相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，部分學(xué)校在使用多媒體教室過程中，對電力資源存在較嚴(yán)重的浪費。過度使用燈光照明不僅會造成電力資源的嚴(yán)重浪費，還會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，甚至?xí)W(xué)生生理上造成不良影響，特別是視力。因此，在新時代背景下，研究設(shè)計多媒體教室相對應(yīng)的智能照明控制系統(tǒng)，不僅有助于倡導(dǎo)中國節(jié)約型社會的建設(shè)理念，還能夠有效保護(hù)學(xué)生的視力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率。該課題具有一定的研究價值。

1 智能照明控制系統(tǒng)方案

1.1 方案論證

多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計的重點在于對多媒體教室內(nèi)的燈光進(jìn)行智能化操控，由此實現(xiàn)節(jié)能、保護(hù)學(xué)生視力、提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率的意義。因此，在多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)建設(shè)過程中，首先需要確定科學(xué)合理的控制器?？刂破髯鳛橹悄苷彰骺刂品桨钢械暮诵狞c，目前可采用DSP、FPGA、單片機(jī)等。多媒體教室智能照明的核心目標(biāo)是護(hù)眼和節(jié)能，因此不需要過于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，DSP、單片機(jī)等完全能夠滿足智能控制的需求?？紤]到單片機(jī)操作方便、性價比高，因此選擇單片機(jī)作為該控制方案的核心[1-2]。

1.2 設(shè)計思路

選擇AT89S52單片機(jī)作為多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)的核心，并為該系統(tǒng)配置信息收集模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊。采用光照強(qiáng)度感應(yīng)器來實時測量多媒體教室中的光線強(qiáng)度，采用紅外線感應(yīng)器來判定多媒體教室內(nèi)的人員流動情況，基于人員情況與光線強(qiáng)度，發(fā)出對應(yīng)指令?；谏鲜鲈O(shè)計思路，設(shè)計了多媒體教室智能照明系統(tǒng)的整體設(shè)計思路框架，如圖1所示。

圖1 多媒體教室智能照明系統(tǒng)的整體設(shè)計思路框架

圖1 中，控制系統(tǒng)由控制器集中控制，配合外圍傳感器獲得多媒體教室內(nèi)環(huán)境（尤其光照）實時狀況，自動控制燈具、窗簾等調(diào)整光照環(huán)境。在室內(nèi)光照條件較好的白天，甚至有可能出現(xiàn)光照過強(qiáng)問題，此時可以通過自動控制燈具、窗簾的方式來調(diào)整自然光照強(qiáng)度。當(dāng)光照條件不足時，則將根據(jù)設(shè)置好的閾值自動開啟燈具，補(bǔ)充光照。在白晝狀態(tài)下，智能照明系統(tǒng)主要起到輔助自然光線照明的作用；在傍晚和黑夜?fàn)顟B(tài)下，以人工光源為主，作為光照補(bǔ)充。以光照相關(guān)傳感器獲取光照環(huán)境和光照范圍信息情況，將實時信息上傳至控制器，比對所設(shè)定的最佳光照參數(shù)，進(jìn)而自動調(diào)整窗簾、燈具以獲得最佳的光照效果。注意光照范圍，針對教室而言，學(xué)生所處位置對光照范圍有影響，因此添加紅外傳感器，檢測區(qū)域人數(shù)，以配合調(diào)整區(qū)域光照強(qiáng)度。

值得注意的是，存在一種特殊情況，即白晝狀態(tài)下光照過于強(qiáng)烈時，室內(nèi)光線可能會對學(xué)生的眼睛造成傷害，如晴朗天氣，太陽光直射黑板，可能會產(chǎn)生較強(qiáng)烈的反射，導(dǎo)致學(xué)生看不清板書，且會對眼睛產(chǎn)生傷害，此時控制器將自動開閉窗簾，控制光照強(qiáng)度[3-4]。

2 智能照明控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)收集電路設(shè)計

因為多媒體教室智能照明系統(tǒng)主要是基于教室中的光線情況、人員數(shù)量以及方位情況來開展感知判定的，所以該智能照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集主要來自室內(nèi)光線收集和人員感知[5]。

（1）室內(nèi)光線收集。為了收集光線信息，可以采用性價比較高的光電傳感器。光電傳感器包括模擬和脈沖2種類型，前者原理在于光電元件流過的光電流會根據(jù)光通量的變化而變化，因為光電流為非電流函數(shù)，所以可以測定位移、表面光滑度、振動等。后者光電元件感光只有形成通路或短路2種模式，不輸出電信號，多數(shù)制作繼電器或脈沖發(fā)生器，以檢測位移、速率、轉(zhuǎn)速等。光電傳感器的核心為光敏二極管和電橋，由于光敏二極管受光照影響而變動電阻，在無光照環(huán)境下，電阻極高，電壓極大，JEFT接通，RW適配實現(xiàn)電橋平衡，而在有光環(huán)境下，光照強(qiáng)度越大電阻越低，當(dāng)達(dá)到一定閾值，電橋不平衡，由此可以實現(xiàn)對多媒體教室的人工光源調(diào)控。

（2）室內(nèi)人員感知。其核心原理是通過紅外線技術(shù)，來感知教室中是否存在人。紅外線技術(shù)是一種基于熱量釋放效應(yīng)的感知技術(shù)，即通過空間內(nèi)的溫度變化，感知人體輻射的所外放的能量。在感知到人體發(fā)出的紅外線信號之后，立即形成1個對應(yīng)信號，通過單片機(jī)對其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，之后單片機(jī)經(jīng)歷程序的判定處理，決定后續(xù)的操作內(nèi)容。

2.2 電機(jī)控制電路設(shè)計

在多媒體教室智能照明系統(tǒng)中，建議使用直流電機(jī)作為控制電路。優(yōu)勢在于接線方便，原因是其只存在正負(fù)極，交換便可以對正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)試，通過變頻器調(diào)整電壓電流，即可完成電機(jī)調(diào)速[6-7]。

對于直流電機(jī)，在多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)中的驅(qū)動電路一般可以采取4種技術(shù)方案：專業(yè)集成驅(qū)動電路、驅(qū)動芯片和分立功率元件組成的驅(qū)動電路、繼電器與JFET構(gòu)成的驅(qū)動電路、繼電器組成的驅(qū)動電路。在實踐過程中，需要電機(jī)設(shè)備可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，但是對轉(zhuǎn)速和時間控制的要求不高，因此使用繼電器與JFET構(gòu)成的驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)。電路整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電路整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 中，4個JEFT管分別為VT1～VT4,其中VT1、VT4一組，VT2、VT3一組，構(gòu)建四臂電橋，從而通過調(diào)整A相和B相的電平差實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。從電路來看，當(dāng)A相高電平，B相低電平，則電流由正極流過VT1，經(jīng)過電機(jī)，再從VT4回負(fù)極，VT2、VT3斷開，電機(jī)正轉(zhuǎn)。反之，VT2、VT3接通，VT1、VT4斷開，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。JEFT管在該電路中起到預(yù)防反向電壓的作用，避免電機(jī)兩端與晶體管出現(xiàn)過電流造成問題。如果成本預(yù)算較高則可選用智能化開關(guān)模塊直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

3 智能照明控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要是基于數(shù)據(jù)信息處理電路來開展相關(guān)活動，即基于單片機(jī)開展相關(guān)程序的設(shè)計。軟件程序的整體執(zhí)行流程：通過獲得傳感器獲得數(shù)據(jù)信息、針對數(shù)據(jù)信息開展實時處理、判定多媒體教室的狀態(tài)是否應(yīng)該開啟或關(guān)閉燈源以及具體開啟的燈源數(shù)量。單片機(jī)由此實現(xiàn)對多媒體教室內(nèi)光源的自動化控制，從而有效代替人工操作。控制程序是智能照明控制方案中關(guān)鍵的一環(huán)，程序是否合理直接關(guān)系到控制方案的可行性和科學(xué)性。設(shè)計控制程序邏輯示意圖如圖3所示。根據(jù)中國教室照明設(shè)計相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求，設(shè)定300 lx為程序控制的下限閾值。根據(jù)相關(guān)研究和實踐經(jīng)驗可知，教室各區(qū)域光照強(qiáng)度大于6 000 lx時，會導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)炫目情況，看不清投影屏上的畫面，甚至部分區(qū)域?qū)W生眼睛會遭遇巨大刺激，因此以6 000 lx作為上限閾值。

圖3 控制程序邏輯示意圖

基于上述結(jié)論可知，在多媒體教室當(dāng)中，光線強(qiáng)度超過6 000 lx時，即可判定為光線過強(qiáng)，已經(jīng)達(dá)到會傷害大部分學(xué)生視力的程度。因此，若檢測到多媒體教室中存在人員，需要對學(xué)生的視力進(jìn)行保護(hù)，主動通過直流電機(jī)拉上窗簾；若光線強(qiáng)度低于300 lx時，則可判定光線強(qiáng)度不強(qiáng)，但是也可能對學(xué)生的視力造成傷害，因此需要對光照進(jìn)行補(bǔ)償。

紅外檢測與光照強(qiáng)度檢測，在程序邏輯中應(yīng)當(dāng)存在優(yōu)先級，并不能單純設(shè)定為“和”“或”，這2種情況所代表的邏輯關(guān)系并不足以讓光照環(huán)境滿足多媒體教室光照調(diào)整需求。紅外檢測主要測人數(shù)，學(xué)生集中區(qū)域可能需要更強(qiáng)的光照，但是因為教室空間存在限制，而且燈具也有直射、散射等布置方案，所以應(yīng)當(dāng)優(yōu)先光照檢測，除非燈具采取直射布置方案且教室空間巨大，否則紅外檢測只能作為輔助手段。簡而言之，在光照強(qiáng)度適宜的情況下，即使多媒體教室中的人數(shù)再多，燈光也不會開啟。

設(shè)計主程序時，設(shè)計人員還需考量延遲因素。因為所用傳感器主要考慮簡單易用特性，并非智能化元器件，所以需要解決的關(guān)鍵問題為干擾問題。干擾影響傳感器的精度，使傳感器獲得的信息可能不準(zhǔn)確，但傳感器將信息傳輸至控制器后，只要能夠識別，就有可能開閉燈具、窗簾。因此，必須加入延遲設(shè)計，控制器可以基于延遲對傳感器傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行識別判斷，抵抗干擾因素，增加控制系統(tǒng)的性能。

值得注意的是，在進(jìn)行多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)主程序設(shè)計時，首先，需要對該照明系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，設(shè)計定時器設(shè)定初值、P0口的初值等；其次，將該系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，即收集光線信號、紅外傳感器信號，與設(shè)計閾值進(jìn)行對比；最后，基于判定結(jié)果，執(zhí)行對應(yīng)的信號輸出任務(wù)。另外，應(yīng)當(dāng)設(shè)計延遲程序，從而預(yù)防學(xué)生在多媒體教室上課或自習(xí)過程中短時間“休息”時，系統(tǒng)對燈光的開啟和關(guān)閉頻率過高，不僅對學(xué)生的視力健康造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，還無法實現(xiàn)對多媒體教室照明的智能化控制，且難以實現(xiàn)節(jié)能的客觀要求。為此，進(jìn)行試驗，將延遲時間設(shè)定為10 min，在學(xué)生休息時長超過10 min時，系統(tǒng)將判定為該多媒體教室中沒有人，執(zhí)行關(guān)燈命令。在不開燈或者關(guān)燈的環(huán)境中，有人按下開關(guān)，想開啟或者關(guān)閉燈光時，此時多媒體教室的智能照明控制系統(tǒng)將會具有最高的優(yōu)先級別，基于人的意志來開展相關(guān)操作。

4 智能照明控制系統(tǒng)調(diào)試

基于上文軟硬件的設(shè)計，先布置硬件及電路，這是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是保證控制系統(tǒng)合理有效的關(guān)鍵基礎(chǔ)。因此，重點考慮對硬件部分的調(diào)試，特別是傳感器部分，這是非常重要的內(nèi)容，將在很大程度上影響智能照明系統(tǒng)的使用效果，軟件的調(diào)試需要基于現(xiàn)有的使用感受進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以提升用戶體驗度。

為了使傳感器模塊的使用達(dá)到最大化效果，需要衡量多媒體教室中光線強(qiáng)度分布和均勻程度。該系統(tǒng)的本質(zhì)是為人服務(wù)，因此多媒體教室對光線的要求如下：學(xué)生可以舒適地看書、寫字、觀看演示，且可以保護(hù)學(xué)生視力，以增強(qiáng)教學(xué)效率。基于上述要求，傳感器部分安裝位置應(yīng)當(dāng)滿足人員在教室內(nèi)活動需求，同時與燈具安裝位置、光照方式相匹配。實際多媒體教室為教師和學(xué)生服務(wù)時，教室的整體天然采光能力較強(qiáng)，在墻壁阻隔等個別區(qū)域可能采光效果較弱，而沒有阻隔的個別區(qū)域則可能采光過強(qiáng)，使光照過于強(qiáng)烈，因此配合燈具安裝與照明方式，傳感器可安裝于課桌、講臺、黑板等位置。

5 結(jié)束語

智能照明控制系統(tǒng)在多媒體教室實踐過程中的積極作用明顯，不僅能夠有效控制室內(nèi)光線強(qiáng)度，讓學(xué)生和教師享受到最合理的光線照射，方便相關(guān)教學(xué)活動的開展，而且可以節(jié)約能源。因此，有必要在多媒體教室安裝智能照明系統(tǒng)?；诖?，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，筆者從硬件和軟件層面，論述了多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)的建設(shè)要點，希望拋磚引玉，讓相關(guān)技術(shù)在實踐過程中變得更為成熟。