基于STM32F1的智能型節(jié)能教室系統(tǒng)

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(yáng) 覃江泉

伴隨著社會(huì)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(duì)照明的需求愈來(lái)愈多；同時(shí)，由于大部分同學(xué)的節(jié)能意識(shí)相對(duì)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(shí)，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(huì)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(jì)了一款智能型節(jié)能教室系統(tǒng)。相對(duì)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(shū)館等場(chǎng)所的無(wú)人燈開(kāi)、天明燈開(kāi)的現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)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(shí)，為學(xué)校節(jié)省了電力資源和人力資源的開(kāi)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(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)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(shí)鐘模塊、超時(shí)報(bào)警模塊等。本系統(tǒng)的軟件部分主要對(duì)光線、時(shí)間及人數(shù)等變量進(jìn)行采集、判斷和處理，并通過(guò)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(jì)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(cè)當(dāng)前環(huán)境的光線亮度，將檢測(cè)信號(hào)返回給單片機(jī)，將檢測(cè)信號(hào)值與設(shè)定光線值進(jìn)行比較，若前者低于后者，表明此時(shí)環(huán)境光線較暗，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提供照明服務(wù)；反之，系統(tǒng)將不會(huì)允許開(kāi)燈，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能化。在教室門(mén)前安裝人體紅外熱釋傳感器作計(jì)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(shí)，當(dāng)學(xué)生下課離開(kāi)教室忘記關(guān)燈的情況下，教學(xué)內(nèi)的燈會(huì)自動(dòng)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(wú)法使用。當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)過(guò)半時(shí)，逐漸開(kāi)放各個(gè)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(bào)警設(shè)置，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間（如23：00）時(shí)啟動(dòng)超時(shí)報(bào)警，提醒學(xué)生回宿舍。在一定的緩沖期后，教室內(nèi)的燈會(huì)自動(dòng)熄滅。

為驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的可用性，提高可信度，可以利用攝像頭實(shí)時(shí)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(guò)程中產(chǎn)生程序死機(jī)等情況，加入看門(mén)狗模塊使其恢復(fù)并重新工作；同時(shí)，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(jì)

本設(shè)計(jì)采用的主控芯片STM32F103V3是一款專(zhuān)為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)、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(duì)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(xiě)，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(pán)對(duì)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(guò)半時(shí)逐步開(kāi)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(gè)光電傳感器分別設(shè)置在門(mén)的內(nèi)、外側(cè)，可以在統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)的同時(shí)，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(shí)，在室內(nèi)無(wú)人時(shí)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(guò)探頭的左右方向時(shí),發(fā)出的紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間和距離會(huì)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(guò)探頭的上下方向時(shí)，雙元探無(wú)法檢測(cè)紅外光譜距離上的變化，此時(shí)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(gè)方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的靈活性和準(zhǔn)確性，我們?cè)诮淌疫^(guò)道橫向、豎向安裝多個(gè)熱釋電傳感器，采用全自動(dòng)感應(yīng)以感應(yīng)人體是否進(jìn)入教室，對(duì)人體進(jìn)行計(jì)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(gè)LED的體積小，但其壽命較長(zhǎng)、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(jiān)固、不易損壞，由無(wú)毒的材料制成，可回收利用。本系統(tǒng)還裝有超時(shí)報(bào)警模塊，當(dāng)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間，其會(huì)報(bào)警通知學(xué)生離開(kāi)教室，并在一定的緩沖期后，關(guān)閉教室照明系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)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(shí)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(jì)

本系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示，其使用的編程語(yǔ)言是易學(xué)易用的基礎(chǔ)語(yǔ)言——C語(yǔ)言，使用的編譯器為Keil 5。在程序設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)其進(jìn)行模塊化編程，完成函數(shù)初始化；編寫(xiě)主函數(shù)，確定函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系；優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(wèn)題時(shí)能夠及時(shí)找出問(wèn)題并修改，利于團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)上電初始化后，設(shè)定定時(shí)器并允許定時(shí)器中斷。自動(dòng)運(yùn)行看門(mén)狗系統(tǒng)，若發(fā)生意外，啟動(dòng)EEPROM模塊存儲(chǔ)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(shí)，進(jìn)行環(huán)境光線的采集，對(duì)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(wú)法打開(kāi)。若光線亮度未達(dá)到閾值，啟動(dòng)人體感應(yīng)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)燈。在設(shè)定定時(shí)器后，也將執(zhí)行時(shí)鐘處理任務(wù)，若當(dāng)前時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，啟動(dòng)超時(shí)報(bào)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(yǔ)：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(duì)智能型節(jié)能教室系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。首先，學(xué)習(xí)部分模塊并編寫(xiě)相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)代碼，基本功能實(shí)現(xiàn)后，開(kāi)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(cè)其調(diào)試結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，需要模擬不同光線不同時(shí)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(kāi)啟白天模式，晚上開(kāi)啟晚自習(xí)模式，避免“長(zhǎng)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(jiǎn)便性：在使用過(guò)程中，人們只需進(jìn)入教室，無(wú)需任何操作，該系統(tǒng)便能自動(dòng)檢測(cè)并為用戶提供照明設(shè)置，安裝時(shí)無(wú)需改變公共場(chǎng)所或民用場(chǎng)所內(nèi)的原有設(shè)備位置，使用簡(jiǎn)便、適用范圍廣。（3）智能性：在教室的門(mén)口設(shè)置紅外傳感器，以達(dá)到對(duì)教室人數(shù)的計(jì)數(shù)功能；在統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)的同時(shí)，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(gè)自習(xí)室人數(shù)過(guò)半才允許開(kāi)放第二個(gè)自習(xí)室供學(xué)生使用。