高校教室智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡波，張家偉，趙天威，趙倫，王美鈞

（武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北武漢，430000）

1 智慧照明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)高校對教室的管理寬松且開放，學(xué)生選擇教室的隨機(jī)性較大，教室內(nèi)人員分散不定、教室內(nèi)存在“長明燈”、“人少燈多”等普遍現(xiàn)象。針對以上情況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)教室原有燈具安裝位置，對教室進(jìn)行分區(qū)域管理，劃定6個(gè)區(qū)域，如圖1所示。每個(gè)區(qū)域內(nèi)安裝傳感器?？烧w控制也可按區(qū)域單個(gè)控制燈具。

手機(jī)端可實(shí)時(shí)顯示采集的人流信息，教室使用信息及燈具信息等。人性化的智慧照明系統(tǒng)，可在手機(jī)中預(yù)設(shè)三種模式：設(shè)置模式、課堂模式和自習(xí)照明模式，這三種模式可以隨機(jī)切換，且操作便捷。以STM32F103VET6核心控制器組成的教室終端可以對教室內(nèi)劃分的6個(gè)區(qū)域的信息進(jìn)行分析與判斷，還可以控制單個(gè)光源的亮滅，是整個(gè)教室的光照等信息存儲(chǔ)和室內(nèi)終端控制器。

圖1 區(qū)域管理圖

2 智慧照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 STM32的主控制系統(tǒng)

STM32的主控制系統(tǒng)是智能教室系統(tǒng)的核心（見圖2），通過發(fā)出控制信號(hào)，完成系統(tǒng)的信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集工作，并根據(jù)各個(gè)模塊預(yù)定的功能，完成協(xié)調(diào)工作。傳感器實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集，由ZigBee無線通信統(tǒng)傳遞給STM32的主控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需求，主控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、并發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行單元做出相應(yīng)的動(dòng)作。

■2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 人員紅外檢測模塊

人體輻射的紅外能量被熱釋電人體紅外線傳感器檢測到，從而實(shí)現(xiàn)對人員的識(shí)別。本設(shè)計(jì)中使用的是HC--SR501熱釋紅外傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、感應(yīng)人體的靈敏度高、體積小等特點(diǎn)。HC--SR501熱釋紅外傳感器有GND、VCC和OUT三個(gè)引腳，判斷室內(nèi)是否有人通過是讀取OUT引腳為電平高電平還是低電平來實(shí)現(xiàn)，有人進(jìn)入則該高電平信號(hào)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間；HC--SR501熱釋紅外傳感器在人離開教室后，檢測到的信號(hào)會(huì)延時(shí)一段時(shí)間，若無人進(jìn)出則OUT引腳為低電平。熱釋電傳感器模塊有3～7m的感應(yīng)距離，進(jìn)行人體檢測在這個(gè)感應(yīng)距離范圍內(nèi)探測紅外信號(hào)，感應(yīng)后延時(shí)時(shí)間為0.5～300S。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)1號(hào)引腳接5V電源的正極，3號(hào)引腳接5V電源的負(fù)極，2號(hào)引腳接到STM32F103VET6的控制引腳（見圖3）。

圖2 主控制系統(tǒng)框圖

圖3 熱釋電紅外傳感器電路原理圖

2.2.2 光照強(qiáng)度采集電路

光照強(qiáng)度采集電路用到的是TSL2561芯片，內(nèi)置的積分式A/D能夠?qū)⒐庹諒?qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。TSL2561芯片可通過編程設(shè)置允許的光強(qiáng)度上下限值，TSL2561芯片產(chǎn)生中斷信號(hào)是實(shí)際光照度超過設(shè)置的允許光強(qiáng)度上下限值。TSL2561芯片內(nèi)置光敏二極管和紅外響應(yīng)光敏二極管（即通道0和通道1），光敏電流通過內(nèi)置的積分式A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。這個(gè)輸出表示采集的光照強(qiáng)度。對TSL2561的控制是通過讀寫其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的來實(shí)現(xiàn)。支持I2C總線協(xié)議，TSL2561芯片為低功耗產(chǎn)品。照度檢測硬件電路如圖4所示。

圖4 光照強(qiáng)度采集電路圖

2.2.3 燈具運(yùn)行狀態(tài)檢測電路

STM32的I/O口，用來實(shí)現(xiàn)對教室燈具運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的檢測，通過檢測高低電乎的變化來實(shí)現(xiàn)對燈具運(yùn)行判斷狀態(tài)。

圖5 燈具運(yùn)行狀態(tài)檢測電路

■2.3 無線通訊模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用的ZigBee模塊WLT2408NZ配合5dbi天線，可以實(shí)現(xiàn)500米的數(shù)據(jù)傳輸，即使在室內(nèi)，也可以穿透2堵混凝土墻，實(shí)現(xiàn)樓宇內(nèi)的組網(wǎng)傳輸。同時(shí)，極低的功耗可以實(shí)現(xiàn)有源定位標(biāo)簽，無線測溫等應(yīng)用。（TTL/RS232/RS485）串口三線連接，透明傳輸，快速完成電路設(shè)計(jì)。簡單的外圍電路，無需任何外圍器件，模塊內(nèi)部已包含各種可靠性設(shè)計(jì)。使用WLT2408NZ模塊可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速升級至物聯(lián)網(wǎng)。由于內(nèi)置路由協(xié)議算法，無需關(guān)心路由組網(wǎng)的問題，無需關(guān)注zigbee協(xié)議開發(fā)，支持各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持點(diǎn)對點(diǎn)P2P，多點(diǎn)對多點(diǎn)M2M，廣播，主從S-M，無角色網(wǎng)狀網(wǎng)Mesh等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。支持zigbee協(xié)議深度定制開發(fā)。簡單配置即可通訊。數(shù)字接口為UART，GPIO，AD。供電電壓為1.9～3.3V。無線傳輸速率：250Kbps、500Kbps、1Mbps可選。功耗：發(fā)送峰值0.11W，接收功耗0.078W。休眠功耗： 定時(shí)喚醒模式72μW，深度定時(shí)喚醒模式1.8μW。支 持ZigBee/NB-IOT/Wi-Fi/Ethenet/2G/3G/4G/TTL/RS232/RS485/USB接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。WLT2408NZ是通過串口與主控制器連接而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。通過其數(shù)據(jù)發(fā)送RX引腳和數(shù)據(jù)接收TX引腳，與STM32主控制器上的RXD，TXD連接，從而進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

■2.4 LED照明模塊電路設(shè)計(jì)

LED照明模塊由LED驅(qū)動(dòng)電路與繼電器控制電路組成，用來實(shí)現(xiàn)對燈具開關(guān)的通斷以及調(diào)光功能。LED驅(qū)動(dòng)電路由SL6115芯片來實(shí)現(xiàn)連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓型LED恒流驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)LED 燈，工作電壓從5.5V到60V，提供可調(diào)的輸出電流，輸出的最大電流能達(dá)到1.5A，效率高達(dá)96%，SL6115芯片內(nèi)部的恒流電路對負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率起到較好的效果。滯環(huán)控制，無需環(huán)路補(bǔ)償。功率開關(guān)內(nèi)置在SL 6115芯片中，檢測電路采用高端電流，以及模擬調(diào)光的調(diào)光腳DIM和兼容PWM。當(dāng)調(diào)光腳的電壓＜0.3V時(shí)，此時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，輸出為關(guān)斷，過溫保護(hù)電路內(nèi)置在芯片中，以實(shí)現(xiàn)智能過溫保護(hù)，進(jìn)入智能過溫保護(hù)是當(dāng)SL6115芯片達(dá)到過溫保護(hù)點(diǎn)，逐漸下降輸出電流以提高系統(tǒng)可靠性，提高LED工作壽命。SL 6115 可在低壓差工作時(shí)輸出電流無過沖，SL6115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。繼電器控制電路是用來控制驅(qū)動(dòng)電路的通斷，驅(qū)動(dòng)電路則是直接控制LED燈具的亮度。

3 智慧照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)需求設(shè)定教室照明模式，以便現(xiàn)教室燈具的自動(dòng)照明與按需調(diào)光的功能。先通過傳感器采集數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。主程序流程圖如圖6所示。主程序流程圖的設(shè)計(jì)思路為：HC--SR501熱釋紅外傳感器的OUT引腳與ZigBee終端設(shè)備的輸入/輸出引腳相連，當(dāng)OUT引腳輸出高電平信號(hào)表示傳感器檢測到有人，輸出是低電平信號(hào)則檢測到無人。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將其產(chǎn)生的信號(hào)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器供STM32F103VET6核心控制器處理。

■3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

核心控制器STM32F103VET6對光照強(qiáng)度采集芯片TSL2561進(jìn)行讀寫能夠通過I2C總線協(xié)議。通過對其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對TSL2561的控制。寫數(shù)據(jù)的過程是先發(fā)送的信號(hào)是地址，發(fā)送完后發(fā)送要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。光照強(qiáng)度采集芯片TSL2561的寫操作的單位為字節(jié)、字或塊（幾個(gè)字）。過程如下：核心控制器STM32F103VET6先發(fā)送一組器件地址；然后發(fā)送寫命令碼，命令碼是指定接下來寫寄存器的地址00H～0FH和寫寄存器的方式，最后發(fā)送要寫的數(shù)據(jù)，按照對應(yīng)的高字節(jié)與低字節(jié)。寫寄存器的方式是根據(jù)前面命令碼規(guī)定的內(nèi)部寫寄存器會(huì)自動(dòng)加1是在數(shù)據(jù)發(fā)送完后。真實(shí)的光照值是由核心控制器STM32F103VET6讀取的高字節(jié)與低字節(jié)合成。圖7所示為照度采集流程。

圖6 主流程圖

4 結(jié)語

本文將ZigBee技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)等與照明系統(tǒng)相結(jié)合，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)依靠照度傳感器、人體紅外傳感器等對教室的照度、使用狀態(tài)、人員的數(shù)量及位置等信息進(jìn)行自動(dòng)采集，由ZigBee模塊WLT2408NZ無線通信統(tǒng)傳遞給STM32的主控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需求，主控制系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、并發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行單元做出相應(yīng)的動(dòng)作。該系統(tǒng)將對教室照明所耗能源有很大程度上的節(jié)約，高校能源的浪費(fèi)上有很好的杜絕，使高校照明財(cái)政負(fù)擔(dān)有很好的緩解。高校教室智慧照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，在使用時(shí)可靈活的升級系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)性好。高校教室智慧照明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)智能化管理，在管理過程中具有一定的人性化，該系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力，穩(wěn)定性較強(qiáng)，電路之間電磁干擾小，工作可靠，易操作的特點(diǎn)。

圖7 TSL2561模塊和單片機(jī)交互流程圖