何龍，冉東陽，楊柳

（上海電機(jī)學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海，201306）

0 引言

傳統(tǒng)的宿舍樓和教學(xué)樓的照明系統(tǒng)設(shè)定為手動(dòng)開關(guān)，一旦打開開關(guān)，無論有人沒人，光照充足或者光照不足，燈光始終保持一定的狀態(tài)，不會(huì)自動(dòng)增強(qiáng)光強(qiáng)，也不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉開關(guān)[1]。傳統(tǒng)的火災(zāi)地震預(yù)警也僅僅停留在發(fā)出警報(bào)，在夜間火災(zāi)、地震及各種事故中，缺少燈光常使得人群疏散困難，在事故發(fā)生后不久，照明電路系統(tǒng)也會(huì)被破壞，第一時(shí)間提供照明幫助人群疏散極為重要。

近年來，照明系統(tǒng)發(fā)展得越來越智能化和舒適化。智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)光照強(qiáng)度和監(jiān)測照明區(qū)域是否有個(gè)體存在智能控制照明開關(guān)，充分節(jié)約能源[2]。地震預(yù)警技術(shù)飛速發(fā)展，密集地震的科學(xué)觀測使現(xiàn)有地震處理區(qū)別于傳統(tǒng)地震處理模式，大數(shù)據(jù)的地震信息處理使地震處理速度達(dá)到秒級。超快地震速報(bào)，可以達(dá)到地震發(fā)生后 5～10 s 就實(shí)現(xiàn)地震警報(bào)[3]。

本文設(shè)計(jì)了基于STM32 單片機(jī)控制，搭載ESP8266 WiFi 模塊及人體紅外、光敏傳感器等多種傳感器的宿舍燈光與預(yù)警智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)總體照明信息反饋并搭配多種傳感器感知照明環(huán)境智能控制燈光的開啟和關(guān)閉達(dá)到節(jié)能的效果，并在獲取火災(zāi)地震的警報(bào)信息時(shí)發(fā)出警報(bào)并打開全部燈光提供照明幫助人群立即疏散。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)總控制，由火焰檢測模塊、光強(qiáng)檢測模塊、語音識(shí)別模塊、煙霧檢測模塊、人體紅外感應(yīng)模塊作為主要數(shù)據(jù)檢測部分；繼電器模塊控制照明模塊、災(zāi)害報(bào)警模塊作為輸出模塊；WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)獲取地震預(yù)警信息，可與手機(jī)端進(jìn)行互聯(lián)來控制照明模塊；電源模塊為系統(tǒng)提供電源。本系統(tǒng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：能夠根據(jù)宿舍樓層空氣煙霧濃度等火災(zāi)檢測數(shù)據(jù)，自動(dòng)啟動(dòng)火災(zāi)警報(bào)；能夠根據(jù)聯(lián)網(wǎng)獲取地震預(yù)警信息，自動(dòng)開啟地震警報(bào)；能夠根據(jù)語音識(shí)別和手機(jī)端等控制指令，自動(dòng)控制私人區(qū)域照明；能夠根據(jù)夜晚宿舍樓層全部單間宿舍等私人區(qū)域照明情況，自動(dòng)控制相應(yīng)的公共區(qū)域照明；人體紅外感應(yīng)模塊根據(jù)紅外檢測到有人時(shí)，自動(dòng)開啟該公共區(qū)域燈光；能夠根據(jù)白天公共區(qū)域光敏模塊數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整公共區(qū)域燈光的亮度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光強(qiáng)檢測模塊

光強(qiáng)檢測模塊包括光敏電阻和電壓比較器兩部分，LM393電壓比較器獲得光敏電阻受環(huán)境影響改變的電壓值，不同環(huán)境下光強(qiáng)的限值可由自帶滑動(dòng)電阻調(diào)整，感應(yīng)測量到光照強(qiáng)度的大小[4]。將光信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度信號(hào)后，單片機(jī)獲得并處理電流強(qiáng)度信號(hào)。光敏電阻有封裝可靠性大、體積小、反應(yīng)速度快環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且光敏電阻對光的敏感性近似人眼睛的感光性。光敏傳感器電路圖如圖 2 所示。

圖2 光強(qiáng)檢測模塊電路圖

2.2 人體紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊帶有調(diào)節(jié)距離的電位器，且人體感應(yīng)模塊的靜態(tài)電流較小，適配性高，可以實(shí)現(xiàn)和各個(gè)電路的連接。人體傳感器的紅外探頭可以檢測到人體發(fā)出的紅外線，不受外界可見光的影響，它的工作原理為人體散發(fā)出大約為 10μm 波長的111 紅外線[4]，而紅外探頭能夠感應(yīng)到由人發(fā)出的紅外光，通過菲涅爾透鏡能夠?qū)⑦@些光束中的紅外線集中并且去除其他輻射的影響。其工作環(huán)境下檢測有人時(shí)，輸出電平為高，工作環(huán)境下檢測到無人時(shí)，輸出電平為低，具有高靈敏度，高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。人體感應(yīng)模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 紅外人體熱釋電傳感器電路圖

2.3 繼電器模塊

繼電器用于電控制，當(dāng)激勵(lì)量的浮動(dòng)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，使輸出電路中被控量進(jìn)行設(shè)定階躍變化的元件。在本電路中工作時(shí)的繼電器可實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，由控制器輸出的5V電壓控制 220V 的交流電[5]。繼電器原理圖如圖4 所示。

圖4 繼電器原理圖

2.4 WiFi 模塊

該WiFi 模 塊 采 用ESP8266 無 線 傳 輸 模 塊，采 取802.11b 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 ，WiFi 通信的傳輸速率最高可達(dá)到 11Mbps，可實(shí)現(xiàn)模塊與 MCU 單片機(jī)的串口通信。在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、可穿戴式電子元器件及第三方網(wǎng)絡(luò)信息獲取等方面具有多種用途[6]。ESP8266 電路原理圖如圖5 所示。

圖5 ESP8266 電路原理圖

2.5 災(zāi)害報(bào)警模塊

ADC0832 是8 位分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，分辨最高可達(dá)256 級，完全滿足一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，減少誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定。特定的芯片使能輸入，讓多器件掛接和處理器控制變得更加方便。DI 數(shù)據(jù)輸入端還可實(shí)現(xiàn)多種通道功能的選擇。ADC083控制喇叭輸出語音警報(bào)，蜂鳴器同時(shí)交替響起警報(bào)。如圖6所示。

圖6 ADC0832 與蜂鳴器組合成的地震報(bào)警模塊

2.6 煙霧檢測模塊

MQ-2 傳感器內(nèi)有二氧化錫氣敏材料，環(huán)境溫度達(dá)到特定溫度時(shí)，空氣中的氧被吸附在二氧化錫表面，二氧化錫中的電子密度降低，使其電阻值變大。它具有高靈敏度、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)煙霧接觸到這種氣敏材料時(shí)，其晶粒間界處的勢壘會(huì)因?yàn)闊熿F的濃度產(chǎn)生變化，導(dǎo)致二氧化錫導(dǎo)電率發(fā)生變化。煙霧的濃度增大會(huì)導(dǎo)致輸出電阻降低，輸出到單片機(jī)的模擬信號(hào)也會(huì)增大。煙霧檢測模塊電路原理圖如圖7 所示。

圖7 煙霧檢測模塊電路原理圖

2.7 火焰檢測模塊

火焰?zhèn)鞲衅骺梢宰R(shí)別并檢測到物體燃燒產(chǎn)生的光源，一般燃燒物燃燒時(shí)產(chǎn)生的光源波長范圍大約在 760～1100nm 之間，模塊內(nèi)的電位器可以讓傳感器對不同環(huán)境中的燃燒物光源進(jìn)行檢測，輸出信號(hào)在其電路中處理后由比較器輸出，具有良好的輸出波形和負(fù)載能力強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)?；鹧?zhèn)鞲衅麟娐吩韴D如圖8 所示。

圖8 火焰檢測模塊電路原理圖

2.8 語音識(shí)別模塊

語音識(shí)別模塊芯片內(nèi)部集成了高效的優(yōu)化算法，對帶有Flash 、RAM 的外設(shè)沒有必要的需求，很好地降低了電路的復(fù)雜程度。同時(shí)也不需要在使用過程中事先訓(xùn)練和錄音來完成非特定人語音識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率也比較高[7]。語音信息在MIC輸入后先進(jìn)行頻譜分析，提取出聲音的語音特征信息。然后語音識(shí)別器將關(guān)鍵詞語列表中的數(shù)據(jù)與采集到的語音特征信息進(jìn)行對比匹配，找出其中得分最高的關(guān)鍵詞語作為語音識(shí)別結(jié)果輸出。語音識(shí)別模塊原理如圖9 所示。

圖9 語音識(shí)別原理圖

圖10 電源模塊圖

圖11 主程序設(shè)計(jì)流程圖

2.9 電源模塊

電源模塊將220V 的交流電依次經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓電路后輸出設(shè)定范圍的直流電，提供正常的工作電壓給系統(tǒng)中的傳感器和單片機(jī)。220V 交流電先通過T1 降壓變壓器，將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電；再經(jīng)過四個(gè)二極管搭建而成的整流橋，把低壓交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)低壓直流電；再通過電容 C1，濾除掉一部分交流分量；LM317 組成的可調(diào)穩(wěn)壓電路將會(huì)根據(jù)調(diào)節(jié) R1、R2 阻值大小改變輸出電壓值[8]。電源模塊如圖 10 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先進(jìn)行基本參數(shù)初始化，并連接WiFi，連接WiFi 成功后獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中包括地震預(yù)警信息、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和手機(jī)端對照明系統(tǒng)的無線控制指令等，連接WiFi 失敗后則再次參數(shù)初始化后重新連接；獲取網(wǎng)絡(luò)信息后進(jìn)行火災(zāi)和地震檢測，若檢測到災(zāi)害發(fā)生則發(fā)出災(zāi)害警報(bào)，并打開照明系統(tǒng)全部燈光，在檢測到災(zāi)害消除時(shí)，關(guān)閉警報(bào)，如圖 11 所示。

燈光智能控制模塊子程序，如圖12 所示。其主要步驟包括：（1）語音識(shí)別模塊和手機(jī)端無線控制等照明控制指令檢測，打開或關(guān)閉私人區(qū)域照明（例如開關(guān)單間宿舍燈）；（2）獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間等網(wǎng)絡(luò)信息；（3）若時(shí)間為白天，則光強(qiáng)檢測模塊檢測光照強(qiáng)度是否充足，不充足則打開該公共區(qū)域燈光，再次檢測到光照充足時(shí)關(guān)閉；（4）若不為白天，則獲取所有單間宿舍等私人區(qū)域照明信息，判斷是否打開公共區(qū)域燈光或關(guān)閉；（5）在夜間關(guān)閉公共區(qū)域燈光后，人體紅外感應(yīng)模塊檢測到有人經(jīng)過，則打開公共區(qū)域燈光，再次檢測到無人時(shí)關(guān)閉。

圖12 燈光智能控制模塊子程序圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)通過光強(qiáng)檢測模塊采集光強(qiáng)數(shù)據(jù)，火焰檢測模塊和煙霧檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)，WiFi 模塊獲取地震預(yù)警信息，同時(shí)獲取照明模塊信息。單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，圖13 為測試數(shù)據(jù)顯示界面。圖14 為系統(tǒng)測試中手機(jī)通過微信小程序控制開關(guān)燈的小程序控制界面。圖15 為模擬聯(lián)網(wǎng)獲取地震預(yù)警信息。

圖13 測試數(shù)據(jù)顯示界面

圖14 小程序控制界面

圖15 模擬地震預(yù)警信息獲取圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過STM32 單片機(jī)對多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并控制燈光系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行火災(zāi)地震預(yù)警。與現(xiàn)有燈光控制系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)加入了照明信息反饋，根據(jù)所有單間宿舍等私人區(qū)域照明信息的反饋并搭配多種傳感器控制照明，相比現(xiàn)有照明系統(tǒng)更加適用于不同生活作息的人群，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了照明的舒適性和節(jié)能。使現(xiàn)有的火災(zāi)地震預(yù)警技術(shù)與照明系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)作，在檢測到地震或火災(zāi)發(fā)生時(shí)第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)并為夜間第一時(shí)間疏散人群及尋找避難場所提供照明，減少人員傷亡。