基于物聯(lián)網(wǎng)的教室燈光節(jié)能控制系統(tǒng)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院 張 野 王 翔 李陳紅 房佳辰

0 引言

現(xiàn)在學(xué)校教室、圖書館等場所普遍存在“長明燈”現(xiàn)象以及空調(diào)、風(fēng)扇常開，造成費電的現(xiàn)象。為了解決此現(xiàn)象，提出采用STC單片機設(shè)計，將教室分為幾個區(qū)域，每個區(qū)內(nèi)裝有人體存在探測器，探測區(qū)域內(nèi)是否有人當光強不足時，采集相應(yīng)參數(shù)，進行整理分析，通過串行口傳送到WIFI模塊，最終呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上。此方案效果較好，可以對教室的燈進行分區(qū)控制，避免在光照不足，人數(shù)不多時開啟過多的燈，造成浪費現(xiàn)象，是較好的節(jié)能方法。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文設(shè)計的教室智能燈設(shè)計是以單片機作為教室檢測控制單元的核心控制器，對教室進行分區(qū)域控制。整個設(shè)計使用電力串口來接通電源，保證只要在220V正常供電的情況下就能工作。系統(tǒng)在各區(qū)域內(nèi)分別安裝光傳感器和人體感應(yīng)傳感器，實現(xiàn)對室內(nèi)光強及人員流動情況的監(jiān)控。并把數(shù)據(jù)返回到各個分區(qū)的單片機進行整理，再傳到一個總的單片機，在這個單片機內(nèi)把各分區(qū)單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)綜合，再由WIFI模塊上傳到網(wǎng)頁上進行監(jiān)控?？傮w設(shè)計如圖1：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

此系統(tǒng)設(shè)計既考慮到不同區(qū)域的人員流動又考慮到區(qū)域之間的光照亮度的不同，按照不同區(qū)域分區(qū)管理使各個區(qū)域之間可以得到較好的安排。又不浪費資源，在最大的限度下使資源得到最好的利用。為了更好說明，本系統(tǒng)對教室分為4個區(qū)域。

1.2 區(qū)域的劃分

教室的節(jié)能控制僅做到“人來燈開，人走燈滅”是遠遠不夠的；只要有人進入教室就打開教室中所有的燈，教室中無人再關(guān)閉所有的燈，雖然也起到了一定的作用，但是也會造成資源浪費和我們節(jié)能的觀念不符。我們根據(jù)不同時段光照進教室的角度不同劃分不同區(qū)域。

另外，我們知道高校教室除了要供學(xué)生上課，還要具有供學(xué)生自習(xí)使用的功能。特別在學(xué)生自習(xí)的時候，教室內(nèi)的人員流動性很大。這種使用狀況也同樣要求我們將教室分為不同區(qū)域管理。另外，由于光頻轉(zhuǎn)換器和紅外熱釋電傳感器的探測區(qū)域是以器件本身為圓心，以探測距離為半徑的圓形區(qū)域，所以我們要計算好每個光頻轉(zhuǎn)換器和紅外熱釋電傳感器的覆蓋距離，以避免有沒有被覆蓋到的區(qū)域。

2 硬件關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是由光頻轉(zhuǎn)換器和紅外熱釋電傳感器負責(zé)采集，熱釋電紅外傳感器由三部分組成，分別是敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡。當有人在透鏡前運動，人體輻射的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的可見區(qū)和盲區(qū)，采集人體中散發(fā)的熱量并以電流的形式表現(xiàn)出來。采用熱釋電紅外傳感器探測內(nèi)是否有人，如果某探測區(qū)域內(nèi)有人存在，則對應(yīng)的熱釋電紅外傳感器檢測到人體輻射出的紅外線，產(chǎn)生微弱的電流，電流經(jīng)過IC電路轉(zhuǎn)換為電壓信號并加以放大，再輸入給單片機進行處理。如若人離開，則紅外傳感器的下一個周期檢測不到人體，將斷開節(jié)能燈回路，從而實現(xiàn)了節(jié)能與智能的效果。

光電傳感器內(nèi)部核心元件是光敏電阻，光敏電阻的光電效應(yīng)是其光照越強，電阻越小，從而輸出不同大小的電流，在通過運放，將小電流轉(zhuǎn)換為電壓并放大，輸入給單片機。然后再通過單片機來控制節(jié)能燈的光照強度。

2.2 電力串口模塊

系統(tǒng)供電后正常工作，為適應(yīng)我國電網(wǎng)一般為220V，采用電力串口模塊把個區(qū)域的單片機檢測模塊組合聯(lián)系起來，使系統(tǒng)一接至主控單片機上。

2.3 wifi模塊

設(shè)計中采用ESP8266實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步上傳網(wǎng)頁的功能。ESP8266是一款超低功耗UART-WIFI透傳模塊，它一共有22個管腳，其管腳分布與連接示意如圖2所示，使用ESP8266模塊和主控單片機中的串口進行數(shù)據(jù)通訊，由單片機所整理的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)頁上得到可實時觀測的數(shù)據(jù)。ESP8266擁有業(yè)內(nèi)及富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計。傳輸?shù)目煽啃院?，最大傳輸速率為?60800bps，可以很好地完成把數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)頁的任務(wù)。

圖2 ESP8266管腳分布與連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序流程是由系統(tǒng)的工作過程決定的。設(shè)計準確合理的流程圖直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的軟件編寫是否準確合理，因為軟件是根據(jù)流程圖來寫出來的。因此設(shè)計是否可以成功，系統(tǒng)能否按照預(yù)期完成相應(yīng)的工作，都取決于是否有一個合理準確的工作流程。

3.1 端點單片機

為了應(yīng)用于教室中不同的情況，系統(tǒng)采用多模式控制，其主要模式為手動模式和自動模式。自動模式又有使用投影儀時的投影模式，當教室學(xué)生靜止時自習(xí)的自習(xí)模式。在系統(tǒng)的工作時間內(nèi)采用自動模式，反之，可手動控制。端點單片機主要流程圖如圖3：

圖3 端點單片機流程圖

3.2 主控單片機

機智云平臺推出WIFI代碼自動生成服務(wù)。云端會根據(jù)產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)點生成對應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)備端代碼。自動生成的代碼實現(xiàn)了機智云通信協(xié)議的解析與封包、傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換邏輯，并封裝成了簡單的API，且提供了多種平臺的實例代碼。開發(fā)者只需要在對應(yīng)的事件處理邏輯中添加傳感器的控制函數(shù)，就可以完成產(chǎn)品的開發(fā)。主控單片機流程圖如圖4：

圖4 主控單片機流程圖

3.3 監(jiān)控界面APP

為了進一步降低開發(fā)者的開發(fā)難度，機智云推出了APP開源框架。在框架中，已經(jīng)模塊化集成了適合開發(fā)者項目需求中需要做的邏輯處理。包括用戶部分（用戶注冊、找回密碼、用戶登錄）；配置設(shè)備入網(wǎng)；設(shè)備發(fā)現(xiàn)；消息推送。APP開源框架將各個模塊獨立成包，開發(fā)者如果想了解其中某一個模塊的實現(xiàn)代碼與流程，直接參考框架代碼即可。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

當1區(qū)域和3區(qū)域無人， 2區(qū)域和4區(qū)域有人時，使用機智云進行實地測試得到如下的實驗數(shù)據(jù)。圖5是教室燈光的APP界面設(shè)計原型圖與手機監(jiān)控。

圖5 教室燈光的APP界面設(shè)計原型圖與手機監(jiān)控

5 結(jié)束語

本文從教室節(jié)能的角度出發(fā)，結(jié)合單片機技術(shù)和控制技術(shù)，構(gòu)筑了一個基于單片機的動態(tài)智能照明系統(tǒng)，提高了教室資源的能源利用效率，減少了電能資源的浪費，達到高效教室資源節(jié)能降耗技術(shù)升級建設(shè)改造目的。本系統(tǒng)的設(shè)計理念積極響應(yīng)了我國倡導(dǎo)的建設(shè)資源節(jié)約型社會的暢想。

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