教室自動感應照明系統(tǒng)設計

李雨晴 劉錦程 孫迪 沈雨順

（中國兵器214 研究所，安徽 蚌埠 233000）

一、前言

我國自改革開放以來，核心產業(yè)結構發(fā)生巨大變革，經濟飛快增長，目前我國已經成為制造業(yè)強國。由于工業(yè)4.0 的到來，智能化和多元化的發(fā)展逐漸進入人們的生活，電能作為世界的二次能源至關重要。因此人類如果再不約束自己的行為，最終會迎來能源危機[1]。教室是培育人才最重要的場所，設備管理尤為重要。照明系統(tǒng)的開放操作增加了學生在教室學習的時間自由性，但是教室的特點之一就是人員流動性大，因此教室設備的管理光靠工作人員是遠遠不夠的。傳統(tǒng)照明工具只能定時開啟或關閉電源，但是無法自動調節(jié)光照亮度，照明工具只能人工調整，不能根據室內是否有人自動感應關閉。在我們日常生活中所接觸到的大多數(shù)照明工具，都只有簡單的物理按鍵控制燈的開關，遙控照明系統(tǒng)還比較少見。

因此研究出一款應用于教室等公共場所的智能感應照明系統(tǒng)不僅是電力資源的節(jié)約，還是對綠色生活態(tài)度的踐行，實現(xiàn)照明設備用電利用率的提高，投入成本低，同時還能使自然光與照明系統(tǒng)相輔相成。

二、方案設計

（一）整體方案設計

根據教室空間以及座位的布局,把教室內部劃分為不同的區(qū)域,在相應區(qū)域內的LED 燈具上安裝紅外傳感器。該套系統(tǒng)通過傳感器探測教室內人員多少及分布,通過芯片控制相應的LED 燈,滿足教室內光照強度需要[2]。在教室自動感應照明系統(tǒng)設計中，首先要考慮教室對照明系統(tǒng)的光照強度的需求。為了讓節(jié)能高效的效果更加顯著，使用PWM 調光將控制燈光與自然光相輔相成。系統(tǒng)運用STM32F103 單片機作為控制核心控制教室照明，當單片機接收到傳感器傳來的光照信息，通過邏輯運算發(fā)出指令給控制端，從而判斷教室情況，然后執(zhí)行相應的關燈或者開燈程序。LED 智能驅動器實現(xiàn)恒流驅動輸出和 PWM 調光功能。光照度信息的收集主要依賴系統(tǒng)中的光敏電阻。人體紅外傳感器負責采集室內人員信息并上傳至智能照明控制器。教室感應照明系統(tǒng)設計的研究內容主要分為兩個部分，一方面增加控制系統(tǒng)的靈敏性和多元化，另一方面是更好地實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境的智能結合。近年來，隨著嵌入式在自動控制領域的普及，單片機的種類越來越多，同時性能也得到了極大的優(yōu)化，在對比了市面上各種主流的單片機之后，本文選擇STM32F103C8T6 單片機作為本系統(tǒng)的中控微處理器。

教室自動感應照明系統(tǒng)框架如圖1 所示，框架中主要包括三部分：光照信息收集模塊、照明控制模塊、遠程控制模塊。微控制器是照明控制模塊的核心部分，具有信號處理、協(xié)調控制、數(shù)據通信等功能。

（二）硬件設計

系統(tǒng)電路主要由以下幾個部分組成：STM32 單片機最小系統(tǒng)、LED 照明驅動電路、光敏傳感器電路與人體紅外傳感器電路、按鍵電路、LCD 顯示屏電路、GSM 遠程通信模塊電路。其中人體紅外傳感器輸出為開關量，當檢測范圍內有人員活動時就會輸出高電平。光敏傳感器輸出電壓模擬量，可以通過獲取的電壓計算出光照強度。三個按鍵分別為模式切換、亮度增加按鍵、亮度減小按鍵。LCD顯示器用來顯示關鍵信息。GSM 遠程通信模塊用以遠程控制。LED 驅動電路用于直接驅動LED，起到電流驅動作用。STM32 最小系統(tǒng)為控制核心，除了單片機外還集成了復位電路、晶振電路、調試接口。

1.LED 驅動電路。系統(tǒng)的LED 燈的電流較大，直接由單片機IO 驅動難以提供所需電流，容易電流過大燒毀單片機，所以需要用三極管來擴大電流驅動能力。當單片機輸出信號為高電平時候，高電平信號使三極管的c 極與e 極導通，電流經過R4保護電阻后驅動LED 發(fā)光。單片機輸出低電平信號的時候，三極管c 極和e 極截止，LED 熄滅。如圖2 所示：

單片機接收到光敏電阻檢測到的光照強度之后將得到電壓輸出與LED 的驅動閾值電壓對比，因此單片機通過PWM 信號就可以控制LED 的發(fā)光亮度。

2.光敏傳感器電路。教室的光照強度可以通過光照強度檢測電路自動地檢測出來，同時光照強度可以實時地顯示給監(jiān)控者[3]。光敏傳感器實質就是將一個光敏電阻與普通電阻串聯(lián)，當光照發(fā)生改變時，光敏電阻的阻值也會變化，導致分壓發(fā)生變化。一般會后接一個電壓跟隨器和一個電壓比較器，前者用來增加分壓輸出的驅動能力，后者可以通過設置比較電壓來輸出開關量。本系統(tǒng)光敏傳感器連接電路如圖3 所示：

3.GSM 遠程通信電路。GSM 是通用分組無線服務技術的簡稱。GSM 并沒有采用在頻道連續(xù)傳輸?shù)姆绞剑且苑獍≒acket）的形式來傳輸，因為并不使用整個頻道而是以其傳輸資料單位來計算傳輸費用，所以理論上成本較低，便于推廣[4]。GSM通訊模組的引腳較多，但本系統(tǒng)除了供電只用到了串口引腳，簡化電路如圖4 所示：RXD 與TXD 為串口的接收與發(fā)送引腳，與單片機的串口引腳交叉連接，使單片機能與GSM 通訊模組通訊，互發(fā)命令與數(shù)據。

（三）軟件設計

此次設計，程序流程是先進行單片機內部外設初始化，并配置好GSM 遠程通信模塊。系統(tǒng)可以根據按鍵設置來執(zhí)行操作，也可以通過GSM 遠程通信模塊獲取的消息來執(zhí)行對應的操作。在自動模式下，系統(tǒng)會采集光敏傳感器數(shù)據與人體紅外傳感器的數(shù)據，在有人情況下會自動打開補光燈，并根據光線強度自動調節(jié)發(fā)光亮度。在手動模式下，系統(tǒng)不會主動操作補光燈，用戶可使用按鍵來控制輸出亮度，也可以通過GSM 遠程通信模塊來遠程控制。下圖5 為主函數(shù)整體流程圖。

照明的控制是系統(tǒng)最終輸出，單片機通過改變PWM 輸出的占空比調節(jié)發(fā)光亮度或關閉發(fā)光。其子程序的流程如圖6，在自動模式下，系統(tǒng)會自動根據有無人員和光照強度來控制發(fā)光，在手動模式下，需要用按鍵或遠程來設置發(fā)光狀態(tài)。

三、系統(tǒng)仿真

本電路通過Proteus 在PC 上進行模擬仿真，電路各項功能和參數(shù)正常運行，完成了嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件的搭建連接。因仿真軟件的局限性，光敏電阻、GSM 模塊、人體紅外感應模塊無法仿真，在此分別用滑動變阻器、串口終端、按鍵開關代替上述模塊進行仿真。仿真中的四個LED 燈在實際應用中應均等分布在教室的頂部，每個LED 底部都安裝一個人體紅外感應模塊，當某個燈下有人則對應的燈亮，四個人體紅外感應模塊的檢測范圍覆蓋整個教室。

（一）自動模式照明系統(tǒng)仿真

在自動模式下，首先按下按鍵1，此時模式轉換為自動模式，在虛擬串口終端界面輸入auto light:40 設置光照閾值，然后上拉按鍵開關，移動滑動變阻器，此時液晶顯示屏顯示此時自然光照值、LED 燈光照值、有無人員通過以及當前狀態(tài)，并且不斷刷新。

（二）手動模式下照明系統(tǒng)仿真

在手動模式下，教室管理員可以手動調節(jié)教室的光亮度，按下開關按鍵教室的燈即可關閉或者打開，電路上設置了三個按鍵可以用來切換模式、增加光照度、降低光照度?？刂迫藛T可以手動設置光亮度，按下光亮度增加按鍵液晶顯示屏上顯示當前光照度增加，四個LED 燈亮度明顯變亮，液晶顯示屏上顯示當前自然光照度的值以及LED 燈光照度的值；按下光亮度降低按鍵，四個LED 燈亮度明顯變暗，液晶顯示屏上顯示當前自然光照度的值以及LED 燈光照度的值。

（三）遠程控制模式下照明系統(tǒng)仿真

本設計帶有GSM 模塊，可以使用使用手機以短信方式遠程控制。發(fā)送“get”命令可以獲取傳感器數(shù)據和其他詳細信息。遠程控制的GSM 模塊用串口模擬，在串口終端界面發(fā)送命令替代手機短信控制，在上文已知可用遠程控制設置自動模式和照明系統(tǒng)的閾值，向單片機發(fā)送get 獲取最新狀態(tài)，狀態(tài)不斷刷新。

結語

以節(jié)能照明為切入點，用32 系列單片機控制照明系統(tǒng)，使照明給人舒適的視覺體驗的同時節(jié)約能源，選擇32 系列單片機也是基于性價比高，運行速度快。它不是最先進的微處理器，但是它是最適合廣泛推廣使用在家居照明上的MCU。同樣將GSM與家居控制相結合，在便捷的同時可以解放使用者的工作時間，遠程控制近些年活躍在智能家居市場，以后遠程控制也將滲透到學校和單位，深刻貫徹綠色節(jié)能的理念。