基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與論述

邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系　劉軍德　趙乘麟　周麗莉

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基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與論述

邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系劉軍德趙乘麟周麗莉

【摘要】本文詳細(xì)論述針對高校教室燈光的控制方法與方式，尤其是高校教室燈光的智能控制方面的發(fā)展現(xiàn)狀，論述了教室燈光智能控制的原理和實現(xiàn)方法，創(chuàng)新的提出了基于嵌入式的教室燈光智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了智能控制系統(tǒng)的硬件裝置和相應(yīng)軟件程序?；谇度胧较到y(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)以STM32嵌入式作為控制裝置的智能元器件，采用熱釋紅外人體傳感器檢測人體是否存在，采用光敏三極管構(gòu)成的電路檢測周圍環(huán)境光照的強(qiáng)度;依據(jù)設(shè)置教室合理開燈的條件，基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明系統(tǒng)通過對人體的存在信號和環(huán)境光信號的識別，通過智能判斷，有序的完成對教室照明電燈進(jìn)行智能控制，有效的避免了高校教室用電的大量浪費。系統(tǒng)還附帶了多種報警功能。軟件系統(tǒng)的程序采用C語言編程，使用現(xiàn)在常用的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、條理非常清晰、可移植性非常好，便于后續(xù)的改進(jìn)和擴(kuò)充。該系統(tǒng)不僅體積很小，而且控制簡便，可靠性非常高，性價比合理等優(yōu)點，理論上可以滿足各種高校教室燈光控制的要求，在很多情況下可以很大程度的達(dá)到節(jié)電目的。

【關(guān)鍵詞】教室燈光；智能控制；STM32；報警功能

0　引言

隨著我國（不包括港澳臺）的社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我們的人們的生活水平也不斷提高，導(dǎo)致我國（不包括港澳臺）的高校教室用電負(fù)荷的加劇，隨著二十世紀(jì)九十年代后期各類高校的快速擴(kuò)招，高校的教室也的快速擴(kuò)建。帶來了高校的教室照明的需求也開始越來越多，而現(xiàn)如今我國（不包括港澳臺）教室的照明系統(tǒng)的管理還有很多地方不是很完善，由此往往會造成大量的電能的浪費，因此，提高我國（不包括港澳臺）高校教室用電效率就成為現(xiàn)當(dāng)今首要考慮的問題，同樣也是我國（不包括港澳臺）首要考慮需要解決的問題。目前把智能控制技術(shù)應(yīng)用高校教室燈光上面，國內(nèi)外己經(jīng)開始普遍采用這種智能控制，但是現(xiàn)如今對高校的教室燈光的智能控制水平，尤其是現(xiàn)階段我國（不包括港澳臺）高校教室燈光的智能控制水平尤為缺乏與不完善，我國（不包括港澳臺）依然采用是傳統(tǒng)式，即人工管理模式[1]。隨著二十世紀(jì)年九十年代后期各類高校的不斷快速擴(kuò)招，由此帶來高校的教室也需要不斷快速擴(kuò)建，產(chǎn)生高校教室的用電負(fù)荷不斷加大，高校教室用電管理不善，造成高校電能浪費，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費和現(xiàn)在我國提倡環(huán)保型發(fā)展是不相符的。而且，我國（不包括港澳臺）現(xiàn)代自動化程度快速發(fā)展與計算機(jī)技術(shù)的快速普及，高校教室燈光的管理也應(yīng)該會朝著自動化和智能化方向快速發(fā)展[2]。因此，開發(fā)一款基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)，一款實用的教室燈光自動控制系統(tǒng)便具有了重要的現(xiàn)實意義和社會意義。

1　本文設(shè)計與論述內(nèi)容

論述高校教室照明燈光控制器簡介，分析研究系統(tǒng)控制方案。研究基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)能在高校教室燈光進(jìn)行智能控制，并且在能有效的應(yīng)用于我國（不包括港澳臺）現(xiàn)階段的高校教室照明系統(tǒng)的改造與升級，應(yīng)該實現(xiàn)對高校教室照明系統(tǒng)的人性化的智能化管理。實現(xiàn)自動與手動燈光控制相兼容，以降低基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的成本;通過反復(fù)試驗和改進(jìn)，最終達(dá)到可靠性與實用較好的目標(biāo)。

1.1教室燈光控制器簡介

高校教室燈光控制器可有效的實現(xiàn)高校教室燈光智能化控制。基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)其輸入的參數(shù)主要為人體存在的微弱信號和環(huán)境光強(qiáng)信號等的外界因素，當(dāng)教室環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)到一定值（設(shè)定值）時不可以開燈，環(huán)境光照強(qiáng)度在一定閥值（設(shè)定值）以下且感應(yīng)到有人存在時可以開燈，理論上和實驗數(shù)據(jù)可以證明用這種方式來對高校教室燈進(jìn)行智能控制，并且可以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

1.2系統(tǒng)控制方案的分析

本文所探討的基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)控制器以自然光強(qiáng)度和人體存在作為控制器的主要輸入?yún)?shù)。基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動與手動控制自動切換。在高校教室自然環(huán)境的光較強(qiáng)時（光照強(qiáng)度設(shè)定值由人為設(shè)置），無論有沒有人存在教室，都不可能把教室的燈打開;在高校教室的自然環(huán)境光較弱的時候，有人存在且超過一定時間，基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的控制器自動打開高校教室電燈，直到教室的人離開后教室后再延時一定時間（由人為設(shè)置）后關(guān)燈。同時，還要按作息時間來控制，夜晚超過十一點，若教室還有人存在，基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)則自動關(guān)閉控制器的運行，改用機(jī)械電子開關(guān)來手動控制，以解決高校教室因特殊情況下，自動控制器的不人性化等缺點[4-5]。本文所探討的基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)主要是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是前提，是整個系統(tǒng)安全可靠的執(zhí)行的基礎(chǔ)，它主要為軟件系統(tǒng)提供程序運行的平臺。而軟件系統(tǒng)，就是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集并進(jìn)行分析，然后進(jìn)行處理 ，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，使的基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)達(dá)到控制器自動或者手動相結(jié)合的基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的教室照明智能控制。

2　系統(tǒng)控制模塊的硬件設(shè)計與論述

基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)考慮到所安裝的環(huán)境影響因素比較多，并且在高校教室控制設(shè)備中的光線感應(yīng)模塊電路和人體感應(yīng)模塊電路等常常會因高校教室的環(huán)境變化而變得工作不穩(wěn)定，因此在基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的整個設(shè)計過程中，首先需要充分考慮的是各種電子元器件的選用以及備用、PCB線路布置和外殼設(shè)備的安放，使得本硬件抗干擾能力以及使用壽命都可以達(dá)到較高的水平。

圖1　系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖

硬件系統(tǒng)的控制單元以嵌入式STM32主控模塊為智能控制核心器件，配合其它外圍電路，外圍電路主要包括為光線感應(yīng)模塊電路、人體感應(yīng)模塊電路、時鐘模塊電路、照明電路模塊電路、液晶顯示模塊電路和報警電路組成，其系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3　控制模塊軟件設(shè)計與論述

在基于嵌入式硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，才可以構(gòu)成一個完整的基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)?；谇度胧较到y(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的軟件的開發(fā)與硬件系統(tǒng)有著密切的關(guān)系與聯(lián)系。在基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的硬件及輸入輸出方法確定無誤后，基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)程序軟件系統(tǒng)就可以完全獨立的進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)。在整個的程序系統(tǒng)設(shè)計過程中，基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)設(shè)計采用合理的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)是一項非常關(guān)鍵的核心技術(shù)。在基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，軟件設(shè)計思想總體采用自上至下將主程序設(shè)計好，而在各個部分的子程序時和主函數(shù)時，采用將每個小模塊分別進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和編程調(diào)試，在編程的過程中本設(shè)計又用到了程序結(jié)構(gòu)化設(shè)計的思想[6]。一款基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊子程序、液晶顯示模塊子程序、時間調(diào)整模塊子程序、數(shù)據(jù)感應(yīng)模塊子程序和照明燈光模子程序塊。

4　結(jié)語

本文基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)具有軟硬件設(shè)計簡單，并且非常容易開發(fā)，具有安全可靠，操作方便，性價比比較高等特點，可應(yīng)用于各高校教室等需要照明的場所，具有一定的實用性。本文論述了基于嵌入式系統(tǒng)的教室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計，著重分析各單元電路的設(shè)計，以及各電路與單片機(jī)的接口技術(shù)。

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劉軍德（1989—），男，河南信陽人，邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系2015級碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化。

周麗莉（1991—），女，湖南常德人，邵陽學(xué)院2013級碩士研究生，研究方向:數(shù)字圖像與智能檢測。

趙乘麟（1965—），男，湖南邵陽人，碩士，邵陽學(xué)院魏源國際學(xué)院院長，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：模式識別與圖像處理。

The classroom lighting control system based on embedded system design and discussed

Liu-Junde Zhao-Chenglin Zhou-Lili
(Shaoyang college of mechanical and energy engineering)

Abstract:In this article，the classroom lighting control method and control mode，especially the present development of the classroom light intelligent control，are discussed in detail.Furthermore，the classroom light intelligent control principle and the realization method are discussed，the design idea of the classroom light intelligent control system based on embedded system is put forward in an innovative way，and on this basis，the hardware device and the corresponding software program of intelligent control system are designed.In this system，STM32 is applied to be the intelligent component of the control device and infrared human body detect sensor is adopted to detected the existence of the human body and circuit containing light photosensitive triode is used to detect environmental light intensity.According to the rational conditions of switching light on or off，the embedded classroom lighting system is orderly and intelligently controlled to avoid a large amount of waste of electricity in classroom based on identifying the signal of the existence of human body and the signal of the environmental light.In addition，this system has a variety of alarm functions.The software is programmed in C language and designed in common modularization with high clarity and good portability，so this software is easy to improve and expand.This system has many advantages-small in size，easy to control，high reliability，strong specificity，reasonable price and so on，so it can meet the requirements on classroom light control of many colleges in theory and achieve energy saving purpose to a large extent in most cases.

Keywords:human body induction；light sensor；automatic control；alarm function

通信作者：

作者簡介：

基金項目：湖南省教育廳重點科研項目（編號：12A068）。