楊曉玲 張新玥 楊建 劉伍一 張文

摘要：隨著能源需求的日益增加，節(jié)能減排已成為重要工作之一。高校教室是人流量較大的地方，若照明節(jié)能控制不利，往往會(huì)造成資源的浪費(fèi)。針對(duì)這一情況，文章設(shè)計(jì)了一款室內(nèi)照明節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)由紅外對(duì)射式傳感器、光線傳感器和單片機(jī)組成，能依據(jù)光線的強(qiáng)弱、人數(shù)及人的位置對(duì)照明燈進(jìn)行控制，還可通過密碼或者人臉識(shí)別給予超級(jí)用戶特殊權(quán)限對(duì)照明燈進(jìn)行控制，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：高校教室；智慧燈控；紅外感應(yīng)；光線感應(yīng)；延時(shí)

中圖分類號(hào)：TN91? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的不斷深入以及碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，節(jié)能減排工作意義重大。國家倡導(dǎo)使用綠色能源低碳照明，節(jié)約電能對(duì)于學(xué)校節(jié)約資金、可持續(xù)發(fā)展也有重要意義。我國現(xiàn)階段高校能源管理浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，比如在光線較為充足時(shí)，教室的燈是全亮的狀態(tài)，或者在教室無人時(shí)，燈也會(huì)處于全開狀態(tài)。這種情況不僅造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)也增加了學(xué)校的用電成本。中國教室照明標(biāo)準(zhǔn)一般按照《建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》《學(xué)生衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)定執(zhí)行。在歐美等發(fā)達(dá)國家，教室照明的研究已經(jīng)比較成熟，一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)或自行制定的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范教室照明。除了與中國類似的視覺和學(xué)習(xí)效果等因素以外，也更加注重照明系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生健康和心理狀態(tài)的影響，包括情緒、警覺度和生物節(jié)律等。當(dāng)下大多數(shù)人的節(jié)能意識(shí)比較淡薄，并且強(qiáng)光下人的眼睛對(duì)弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以察覺到燈光的存在，造成了白天長明燈、晚上無人也開燈、人少燈全開的浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，推廣智慧燈控具有重大的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 智慧燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的教室智能燈控系統(tǒng)主要遵循以下幾個(gè)原則。（1）節(jié)能原則：根據(jù)實(shí)際光照需求智能調(diào)節(jié)燈光亮度，避免不必要的能源浪費(fèi)；（2）安全可靠原則：確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，保障正常使用，防止事故發(fā)生；（3）智能感知原則：通過傳感器感知環(huán)境光照、人體存在等信息，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)燈光狀態(tài)；（4）人性化設(shè)計(jì)原則：考慮用戶的需求和舒適度，提供方便操作的個(gè)性化設(shè)置功能。

1.2 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行主控制。首先，光傳感器感應(yīng)到光的強(qiáng)度后傳送到單片機(jī)，再通過繼電器對(duì)燈光進(jìn)行控制；其次，紅外對(duì)射式傳感器感應(yīng)到人的存在后，利用可控硅對(duì)燈光進(jìn)行延時(shí)控制，管理人員可以通過人臉識(shí)別對(duì)燈光進(jìn)行控制。具體的工作原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主芯片STM32F407

STM32F4系列具有較高的性能和豐富的外設(shè)功能，適合大規(guī)模和復(fù)雜的智慧燈控系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)采用STM32F407型號(hào)的芯片，同時(shí)擁有多個(gè)通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）和通用輸入輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）等外設(shè)接口，適合連接傳感器和執(zhí)行器。STM32F407內(nèi)部資源眾多，其主要資源如下：（1）內(nèi)核；（2）I/O口；（3）存儲(chǔ)器；（4）時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理；（5）低功耗。

主芯片通過與外圍部分的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光以及其他附加功能（如延時(shí)等）的控制和管理。同時(shí)，主芯片也可以接收外圍部分傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要進(jìn)行處理和決策，以實(shí)現(xiàn)智慧燈控系統(tǒng)的優(yōu)化和智能化。

2.2 模塊功能設(shè)計(jì)

2.2.1 光線傳感器

光線傳感器是一種可以檢測光線強(qiáng)度的電子傳感器，可以檢測到周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度。它是一種常用的傳感器，用于檢測環(huán)境的光線，控制電子設(shè)備的開關(guān)，例如自動(dòng)燈光、安全系統(tǒng)、自動(dòng)窗簾等。

另外，光線傳感器其實(shí)是根據(jù)光電效應(yīng)的原理起作用的。光電效應(yīng)指某些特殊的物質(zhì)在吸收了光線后能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，光電效應(yīng)可以分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)2種。外光電效應(yīng)指在光線照射下，電子能夠從物質(zhì)的內(nèi)部向外發(fā)射而產(chǎn)生電力作用，光電管、光電倍增管都是基于外光電效應(yīng)制成的原件。相應(yīng)地，內(nèi)光電效應(yīng)則是發(fā)生在物質(zhì)的內(nèi)部，當(dāng)光線照射到物質(zhì)上時(shí)，使其內(nèi)部的電阻率發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。

照明系統(tǒng)中的光感應(yīng)器，可以通過實(shí)驗(yàn)和調(diào)試來確定適合本地的光感強(qiáng)度閾值。一般來說，光感強(qiáng)度的單位是勒克斯（lx），可以根據(jù)環(huán)境光照情況和用戶需求來選擇合適的閾值。例如當(dāng)光感強(qiáng)度低于某個(gè)閾值時(shí)（例如100 lx），燈光可以自動(dòng)打開。此時(shí)環(huán)境光線較弱，感應(yīng)器會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)調(diào)節(jié)照明設(shè)備的亮度，使其增強(qiáng)；當(dāng)光感強(qiáng)度高于另一個(gè)閾值時(shí)（例如500 lx），此時(shí)環(huán)境光線較強(qiáng)，控制器則會(huì)降低照明設(shè)備的亮度或者自動(dòng)關(guān)閉，以節(jié)能和保護(hù)眼睛［1］。

2.2.2 紅外對(duì)射式傳感器

紅外對(duì)射傳感器通常由2個(gè)部分組成：發(fā)射器和接收器。發(fā)射器會(huì)發(fā)出一束紅外光束，而接收器則會(huì)接收光束并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)有物體進(jìn)入光束時(shí)，物體就會(huì)吸收或反射一部分光線，從而導(dǎo)致接收器中電信號(hào)發(fā)生變化。通過檢測這些變化，就可以確定物體是否存在或移動(dòng)［2］。

在人體進(jìn)入了發(fā)射器發(fā)射的紅外光束后，即使沒有移動(dòng)，人體的熱量也會(huì)被紅外感應(yīng)捕捉，所以保證燈不會(huì)滅。當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)，人體會(huì)吸收或反射一部分光線，據(jù)此可以檢測出人是否在移動(dòng)，或者移動(dòng)到某個(gè)區(qū)域，從而整個(gè)系統(tǒng)可以更好地控制。

紅外對(duì)射式傳感器還有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用紅外波段的射束，人視覺不可見，具有隱蔽性；（2）不存在盲區(qū)和死角；（3）良好的抗干擾特性；（4）嚴(yán)密的防破壞能力；（5）可全天候工作等。

2.2.3 可控硅電路

可控硅可以通過改變其導(dǎo)通角來控制交流電的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的控制?？煽毓栩?qū)動(dòng)電路用于接收主芯片的控制信號(hào)，通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角來控制燈光的亮度和開關(guān)。正常情況下，可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)施加一個(gè)觸發(fā)脈沖到可控硅的控制端時(shí)，可控硅開始導(dǎo)通，并一直保持導(dǎo)通狀態(tài)直到交流電的電流降至0，然后再次關(guān)斷。通過控制觸發(fā)脈沖的時(shí)刻，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。在智慧燈控系統(tǒng)中，可控硅的選擇取決于所需的功率和控制方式［3］。

常見的可控硅型號(hào)有SCR（Silicon Controlled Rectifier）和TRIAC（Triode for Alternating Current）。對(duì)于低功率應(yīng)用，TRIAC是一種常見的選擇，適用于交流電控制。對(duì)于高功率應(yīng)用，SCR是一種常見的選擇，適用于直流或交流電控制。本系統(tǒng)采用的是TRIAC，此元器件可以更好地節(jié)能［4］。

2.2.4 555計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器

555延時(shí)電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)電路信號(hào)的延遲控制。當(dāng)輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，延時(shí)電路會(huì)在設(shè)定時(shí)間后再輸出一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制功能。在實(shí)際應(yīng)用中，555延時(shí)電路常用于控制各種設(shè)備的開關(guān)、閃爍、計(jì)時(shí)等操作。

555延時(shí)電路的工作原理如下：（1）輸入一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)器反轉(zhuǎn)并輸出高電平信號(hào)；（2）555芯片內(nèi)部比較器將電容放電，并與固定參考電壓進(jìn)行比較；（3）當(dāng)電容電壓降到1/3參考電壓以下時(shí)，比較器輸出低電平信號(hào)，觸發(fā)器反轉(zhuǎn)并輸出低電平信號(hào)；（4）電容器繼續(xù)放電，當(dāng)電容電壓降到2/3參考電壓以下時(shí)，比較器又輸出高電平信號(hào)，觸發(fā)器再次反轉(zhuǎn)，輸出高電平信號(hào)，同時(shí)開始重新充電［5］。

根據(jù)以上工作原理，555延時(shí)電路可以實(shí)現(xiàn)不同的延時(shí)時(shí)間，從而滿足不同應(yīng)用場景的需要。在STM32F407中使用555計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的延時(shí)功能，需要進(jìn)行以下步驟。（1）配置GPIO引腳：將555計(jì)時(shí)器的觸發(fā)引腳連接到單片機(jī)的一個(gè)GPIO引腳上；（2）配置計(jì)時(shí)器：選擇一個(gè)定時(shí)器（如TIM2）并進(jìn)行相應(yīng)的配置。設(shè)置計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘源、預(yù)分頻系數(shù)和計(jì)數(shù)模式等；（3）設(shè)定計(jì)時(shí)器的初值：根據(jù)所需的延時(shí)時(shí)間，計(jì)算出計(jì)時(shí)器的初始值，并將其賦給計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)寄存器；（4）啟動(dòng)計(jì)時(shí)器：啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。

2.2.5 人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別過程一般分為3步。首先，建立人臉的面像檔案。即用攝像機(jī)采集人臉的面像文件或利用照片形成面像文件，并將這些面像文件生成面紋編碼貯存起來；其次，獲取當(dāng)前的人體面像。即用攝像機(jī)捕捉當(dāng)前出入人員的面像或取照片輸入，并將當(dāng)前的面像文件生成面紋編碼；最后，用當(dāng)前的面紋編碼與檔案庫存比對(duì)。即將當(dāng)前面像的面紋編碼與檔案庫存中的面紋編碼進(jìn)行檢索比對(duì)。

“面紋編碼”方式是根據(jù)人臉部的本質(zhì)特征來工作的。這種面紋編碼可以抵抗光線、皮膚色調(diào)等的變化，具有強(qiáng)大的可靠性，從而可以從百萬人中精確地辨認(rèn)出某個(gè)人。

在智慧燈控系統(tǒng)中，管理者將自己的人臉通過攝像錄入智慧燈控管理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)分析人臉圖像并提取有效的識(shí)別信息，后將管理者的臉部特征保存在智慧燈控系統(tǒng)中。在應(yīng)用的過程中，使用攝像頭獲取當(dāng)前人物的面相特征，最后將當(dāng)前捕獲到的人像特征與之前存儲(chǔ)的人臉數(shù)據(jù)檔案進(jìn)行對(duì)比，通過視頻圖像進(jìn)行判斷，檢測畫面中是否存在面部，如果檢測到，則進(jìn)一步給出每個(gè)主要面部器官的位置、大小和特征信息，基于該信息，進(jìn)一步提取每個(gè)面部中包含的身份特征并與已存在的面部信息進(jìn)行比較以驗(yàn)證訪問者的身份。確認(rèn)管理者的身份后，管理者可通過電子觸屏自主控制智慧燈控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧燈控的定期檢查和強(qiáng)制性的自主控制管理。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過以下流程對(duì)燈光進(jìn)行管理控制：設(shè)置光感初始值i=0（用來記錄人數(shù)），人走完后i=0延時(shí)關(guān)燈。當(dāng)i>0時(shí)，通過紅外對(duì)射式傳感器感應(yīng)出人所在的位置，當(dāng)人在該區(qū)域時(shí)，用時(shí)鐘判斷當(dāng)時(shí)大概處于什么時(shí)間段，判斷是否延時(shí)開燈，再根據(jù)感應(yīng)光的強(qiáng)度，判斷是否處于規(guī)定的閾值。若小于規(guī)定的閾值則控制燈光增加到適合的光強(qiáng)，若大于規(guī)定的閾值則不需要開燈。當(dāng)人不在該區(qū)域時(shí)則延時(shí)關(guān)燈。軟件流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.1 人臉識(shí)別

實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的代碼需要使用圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，單片機(jī)STM32F407通常用于嵌入式系統(tǒng)，不適合直接實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的人臉識(shí)別算法。因此，可以使用STM32F407與OpenCV庫進(jìn)行人臉檢測。在使用STM32F407與OpenCV庫進(jìn)行人臉檢測時(shí)，可以使用以下核心代碼：

（1）初始化攝像頭和OpenCV庫。

// 初始化攝像頭

Camera_Init（）;

// 初始化OpenCV庫

cv：：CascadeClassifier face_cascade;

face_cascade.load（"haarcascade_frontalface_default.xml"）;

（2）實(shí)時(shí)獲取攝像頭圖像并進(jìn)行人臉檢測。

while（true） {

// 獲取攝像頭圖像

cv：：Mat frame = Camera_GetFrame（）;

// 灰度化處理

cv：：Mat gray;

cv：：cvtColor（frame， gray， cv：：COLOR_

BGR2GRAY）;

// 人臉檢測

std：：vector faces;

face_cascade.detectMultiScale（gray， faces， 1.1， 2， 0|cv：：CASCADE_SCALE_IMAGE， cv：：Size（30， 30））;

// 繪制人臉框

for （size_t i = 0; i < faces.size（）; i++） {

cv：：rectangle（frame， faces［i］， cv：：Scalar（0， 255， 0）， 2）;

}

// 顯示圖像

cv：：imshow（"Face Detection"， frame）;

// 等待按鍵退出

if （cv：：waitKey（1） == 27） {

break;

}

}

3.2 感應(yīng)部分和延時(shí)部分

感應(yīng)部分的實(shí)現(xiàn)方式取決于傳感器類型和應(yīng)用場景。常見的傳感器包括紅外傳感器、光照傳感器等。根據(jù)具體傳感器的接口和協(xié)議，可以使用相應(yīng)的庫函數(shù)或驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行初始化和數(shù)據(jù)讀取。其核心代碼如下：

// 紅外感應(yīng)函數(shù)

void infraredSensing（）

{

// 在這里實(shí)現(xiàn)你的紅外感應(yīng)算法

}

// 光感函數(shù)

void lightSensing（）

{

// 在這里實(shí)現(xiàn)你的光感算法

}

延時(shí)代碼包括：延時(shí)函數(shù)、設(shè)置計(jì)數(shù)器初值、設(shè)置計(jì)數(shù)器使能計(jì)時(shí)器、設(shè)置計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘分頻系數(shù)等，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行編寫。其核心代碼如下：

// 延時(shí)函數(shù)

void delay（uint32_t milliseconds）

{

// 設(shè)置計(jì)時(shí)器初值

TIM2->CNT=0;

// 設(shè)置計(jì)時(shí)器使能計(jì)時(shí)器

TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 設(shè)置計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘分頻系數(shù)

TIM2->PSC = （SystemCoreClock / 1000）-1;

}

以上代碼均為示例代碼，具體數(shù)值需根據(jù)具體情況設(shè)定。

4 結(jié)語

此系統(tǒng)主要利用紅外對(duì)射式傳感器、光線傳感器和單片機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)校園智慧燈控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過對(duì)燈控系統(tǒng)的分析，本文提出并設(shè)計(jì)了一款基于智能感知技術(shù)的校園智慧燈控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)校園燈光的自動(dòng)調(diào)節(jié)和智能管理，提高能源利用效率和校園照明質(zhì)量。

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of intelligent lamp control system in college classroom

Yang? Xiaoling， Zhang? Xinyue， Yang? Jian， Liu? Wuyi， Zhang? Wen*

（School of Physics and Electronic Information Engineering， Neijiang Normal University， Neijiang 641000， China）

Abstract：? With the increasing energy demand， energy conservation and emission reduction has become an essential thing in peoples life. The classrooms of colleges and universities are places with large flow of people， and the energy saving control of lighting is unfavorable， which often causes the waste of resources. In view of this situation， an indoor lighting energy saving system is proposed and designed， which is composed of infrared sensor， light sensor and microcontroller. It can control the lighting according to the strength of the light， the number of people and the position of the people， but also through the password or face recognition to give super users special permission to control the lighting， so as to achieve the purpose of energy saving.

Key words： university classroom; intelligent light control; infrared sensing；light-sensing; time-delay