多媒體教室的智能照明控制系統(tǒng)

王雯嬌

長(zhǎng)春金融高等專(zhuān)科學(xué)?，F(xiàn)代教育中心，吉林 長(zhǎng)春 130012

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)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?cè)谏?、工作以及學(xué)習(xí)過(guò)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(guó)各級(jí)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(guò)程中，對(duì)電力資源存在較嚴(yán)重的浪費(fèi)。過(guò)度使用燈光照明不僅會(huì)造成電力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，甚至?xí)?duì)學(xué)生生理上造成不良影響，特別是視力。因此，在新時(shí)代背景下，研究設(shè)計(jì)多媒體教室相對(duì)應(yīng)的智能照明控制系統(tǒng)，不僅有助于倡導(dǎo)中國(guó)節(jié)約型社會(huì)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?jī)r(jià)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(jì)的重點(diǎn)在于對(duì)多媒體教室內(nèi)的燈光進(jìn)行智能化操控，由此實(shí)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(guò)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(diǎn)，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(guò)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，DSP、單片機(jī)等完全能夠滿(mǎn)足智能控制的需求?？紤]到單片機(jī)操作方便、性?xún)r(jià)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(jì)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(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量多媒體教室中的光線(xiàn)強(qiáng)度，采用紅外線(xiàn)感應(yīng)器來(lái)判定多媒體教室內(nèi)的人員流動(dòng)情況，基于人員情況與光線(xiàn)強(qiáng)度，發(fā)出對(duì)應(yīng)指令?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了多媒體教室智能照明系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)狀況，自動(dòng)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(guò)強(qiáng)問(wèn)題，此時(shí)可以通過(guò)自動(dòng)控制燈具、窗簾的方式來(lái)調(diào)整自然光照強(qiáng)度。當(dāng)光照條件不足時(shí)，則將根據(jù)設(shè)置好的閾值自動(dòng)開(kāi)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(xiàn)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(shí)時(shí)信息上傳至控制器，比對(duì)所設(shè)定的最佳光照參數(shù)，進(jìn)而自動(dòng)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(duì)教室而言，學(xué)生所處位置對(duì)光照范圍有影響，因此添加紅外傳感器，檢測(cè)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(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，室內(nèi)光線(xiàn)可能會(huì)對(duì)學(xué)生的眼睛造成傷害，如晴朗天氣，太陽(yáng)光直射黑板，可能會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的反射，導(dǎo)致學(xué)生看不清板書(shū)，且會(huì)對(duì)眼睛產(chǎn)生傷害，此時(shí)控制器將自動(dòng)開(kāi)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(jì)

2.1 數(shù)據(jù)收集電路設(shè)計(jì)

因?yàn)槎嗝襟w教室智能照明系統(tǒng)主要是基于教室中的光線(xiàn)情況、人員數(shù)量以及方位情況來(lái)開(kāi)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(lái)自室內(nèi)光線(xiàn)收集和人員感知[5]。

（1）室內(nèi)光線(xiàn)收集。為了收集光線(xiàn)信息，可以采用性?xún)r(jià)比較高的光電傳感器。光電傳感器包括模擬和脈沖2種類(lèi)型，前者原理在于光電元件流過(guò)的光電流會(huì)根據(jù)光通量的變化而變化，因?yàn)楣怆娏鳛榉请娏骱瘮?shù)，所以可以測(cè)定位移、表面光滑度、振動(dòng)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(hào)，多數(shù)制作繼電器或脈沖發(fā)生器，以檢測(cè)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(dòng)電阻，在無(wú)光照環(huán)境下，電阻極高，電壓極大，JEFT接通，RW適配實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)紅外線(xiàn)技術(shù)，來(lái)感知教室中是否存在人。紅外線(xiàn)技術(shù)是一種基于熱量釋放效應(yīng)的感知技術(shù)，即通過(guò)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(xiàn)信號(hào)之后，立即形成1個(gè)對(duì)應(yīng)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)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(jì)

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(shì)在于接線(xiàn)方便，原因是其只存在正負(fù)極，交換便可以對(duì)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)變頻器調(diào)整電壓電流，即可完成電機(jī)調(diào)速[6-7]。

對(duì)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(dòng)電路一般可以采取4種技術(shù)方案：專(zhuān)業(yè)集成驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)芯片和分立功率元件組成的驅(qū)動(dòng)電路、繼電器與JFET構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路、繼電器組成的驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)踐過(guò)程中，需要電機(jī)設(shè)備可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，但是對(duì)轉(zhuǎn)速和時(shí)間控制的要求不高，因此使用繼電器與JFET構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(gè)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(guò)調(diào)整A相和B相的電平差實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。從電路來(lái)看，當(dāng)A相高電平，B相低電平，則電流由正極流過(guò)VT1，經(jīng)過(guò)電機(jī)，再?gòu)腣T4回負(fù)極，VT2、VT3斷開(kāi)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。反之，VT2、VT3接通，VT1、VT4斷開(kāi)，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(guò)電流造成問(wèn)題。如果成本預(yù)算較高則可選用智能化開(kāi)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(jì)

針對(duì)多媒體教室智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要是基于數(shù)據(jù)信息處理電路來(lái)開(kāi)展相關(guān)活動(dòng)，即基于單片機(jī)開(kāi)展相關(guān)程序的設(shè)計(jì)。軟件程序的整體執(zhí)行流程：通過(guò)獲得傳感器獲得數(shù)據(jù)信息、針對(duì)數(shù)據(jù)信息開(kāi)展實(shí)時(shí)處理、判定多媒體教室的狀態(tài)是否應(yīng)該開(kāi)啟或關(guān)閉燈源以及具體開(kāi)啟的燈源數(shù)量。單片機(jī)由此實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教室內(nèi)光源的自動(dòng)化控制，從而有效代替人工操作?？刂瞥绦蚴侵悄苷彰骺刂品桨钢嘘P(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(jì)控制程序邏輯示意圖如圖3所示。根據(jù)中國(guó)教室照明設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，教室各區(qū)域光照強(qiáng)度大于6 000 lx時(shí)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)炫目情況，看不清投影屏上的畫(huà)面，甚至部分區(qū)域?qū)W生眼睛會(huì)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(xiàn)強(qiáng)度超過(guò)6 000 lx時(shí)，即可判定為光線(xiàn)過(guò)強(qiáng)，已經(jīng)達(dá)到會(huì)傷害大部分學(xué)生視力的程度。因此，若檢測(cè)到多媒體教室中存在人員，需要對(duì)學(xué)生的視力進(jìn)行保護(hù)，主動(dòng)通過(guò)直流電機(jī)拉上窗簾；若光線(xiàn)強(qiáng)度低于300 lx時(shí)，則可判定光線(xiàn)強(qiáng)度不強(qiáng)，但是也可能對(duì)學(xué)生的視力造成傷害，因此需要對(duì)光照進(jìn)行補(bǔ)償。

紅外檢測(cè)與光照強(qiáng)度檢測(cè)，在程序邏輯中應(yīng)當(dāng)存在優(yōu)先級(jí)，并不能單純?cè)O(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(mǎn)足多媒體教室光照調(diào)整需求。紅外檢測(cè)主要測(cè)人數(shù)，學(xué)生集中區(qū)域可能需要更強(qiáng)的光照，但是因?yàn)榻淌铱臻g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(cè)，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(cè)只能作為輔助手段。簡(jiǎn)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(huì)開(kāi)啟。

設(shè)計(jì)主程序時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需考量延遲因素。因?yàn)樗脗鞲衅髦饕紤]簡(jiǎn)單易用特性，并非智能化元器件，所以需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題為干擾問(wèn)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(shí)別，就有可能開(kāi)閉燈具、窗簾。因此，必須加入延遲設(shè)計(jì)，控制器可以基于延遲對(duì)傳感器傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行識(shí)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(jì)時(shí)，首先，需要對(duì)該照明系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，設(shè)計(jì)定時(shí)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(xiàn)信號(hào)、紅外傳感器信號(hào)，與設(shè)計(jì)閾值進(jìn)行對(duì)比；最后，基于判定結(jié)果，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出任務(wù)。另外，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)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(guò)程中短時(shí)間“休息”時(shí)，系統(tǒng)對(duì)燈光的開(kāi)啟和關(guān)閉頻率過(guò)高，不僅對(duì)學(xué)生的視力健康造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教室照明的智能化控制，且難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的客觀(guān)要求。為此，進(jìn)行試驗(yàn)，將延遲時(shí)間設(shè)定為10 min，在學(xué)生休息時(shí)長(zhǎng)超過(guò)10 min時(shí)，系統(tǒng)將判定為該多媒體教室中沒(méi)有人，執(zhí)行關(guān)燈命令。在不開(kāi)燈或者關(guān)燈的環(huán)境中，有人按下開(kāi)關(guān)，想開(kāi)啟或者關(guān)閉燈光時(shí)，此時(shí)多媒體教室的智能照明控制系統(tǒng)將會(huì)具有最高的優(yōu)先級(jí)別，基于人的意志來(lái)開(kāi)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(jì)，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(diǎn)考慮對(duì)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(hù)體驗(yàn)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(xiàn)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(duì)光線(xiàn)的要求如下：學(xué)生可以舒適地看書(shū)、寫(xiě)字、觀(guān)看演示，且可以保護(hù)學(xué)生視力，以增強(qiáng)教學(xué)效率?；谏鲜鲆螅瑐鞲衅鞑糠职惭b位置應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足人員在教室內(nèi)活動(dòng)需求，同時(shí)與燈具安裝位置、光照方式相匹配。實(shí)際多媒體教室為教師和學(xué)生服務(wù)時(shí)，教室的整體天然采光能力較強(qiáng)，在墻壁阻隔等個(gè)別區(qū)域可能采光效果較弱，而沒(méi)有阻隔的個(gè)別區(qū)域則可能采光過(guò)強(qiáng)，使光照過(guò)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(tái)、黑板等位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能照明控制系統(tǒng)在多媒體教室實(shí)踐過(guò)程中的積極作用明顯，不僅能夠有效控制室內(nèi)光線(xiàn)強(qiáng)度，讓學(xué)生和教師享受到最合理的光線(xiàn)照射，方便相關(guān)教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)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)。基于此，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)，希望拋磚引玉，讓相關(guān)技術(shù)在實(shí)踐過(guò)程中變得更為成熟。