校園智能照明節(jié)約系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙 鵬

(1.江蘇第二師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210000；2.江蘇省基礎(chǔ)教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用工程研究中心，江蘇南京 210000)

0 前言

節(jié)電是我國長遠(yuǎn)發(fā)展的一項重大戰(zhàn)略政策，造福于人民，造福于國家。節(jié)能，即能源的節(jié)電，可以減少整個國家的能源消耗，減少交通和能源的短缺，同時也可以減少國家對電力系統(tǒng)的投資，提高能源利用率，降低環(huán)境污染，符合綠色和可持續(xù)發(fā)展的趨勢，有利于降低電力系統(tǒng)的負(fù)載能力，緩解電力緊缺的狀況，對降低電網(wǎng)負(fù)荷容量、緩解供電緊張局面具有重要意義。因此，節(jié)約用電在資源緊缺的今天體現(xiàn)得尤為重要[1]。2022年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了一份關(guān)于“節(jié)約型”“環(huán)?！焙汀案呓?jīng)濟(jì)效益”的新型工業(yè)發(fā)展之路，將節(jié)約資源和減少能耗放在第一位，緊抓“不浪費(fèi)、不合理”的原則，以提高資源的綜合利用效率。

1 校園智能照明節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計的需求現(xiàn)狀

根據(jù)一所大學(xué)的實際調(diào)研，學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)安裝了1000 盞40 W 的雙管式熒光燈，每小時的總耗電為80度，按照0.5 元/千瓦時的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)校每小時的耗電成本為40元。一所學(xué)校一天的電費(fèi)就高達(dá)640元，一所學(xué)校一般有8棟這樣的教學(xué)樓，也就是說，僅教學(xué)樓的一天電費(fèi)就要高達(dá)5 120 元。從另一個角度來看，如果在教室里每天節(jié)省2個小時的無用電量，則每天可以節(jié)省640元；按照這樣簡單計算，學(xué)校一年可以節(jié)省172 800 元的電費(fèi)。這是一種純粹的電力消耗，目前全國各大學(xué)總共有3013 所學(xué)校（教育部公布，截至2022年5月31日），因此，每年的電費(fèi)浪費(fèi)就高達(dá)520 646 400元，也就是說，全國高校在教室照明用電上至少浪費(fèi)5億元。

目前，智能節(jié)能照明的方法有兩種：一是采用高效的電光源，二是采用更加高效的智能照明。而要保證照明的品質(zhì)和降低能耗，最基本的方法就是提高照明設(shè)備的效率，也就是增加燈源和燈泡的亮度，在現(xiàn)有的照明燈具基礎(chǔ)上，改進(jìn)和優(yōu)化照明控制，以達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)[2]。

教育部建議各學(xué)校建立節(jié)約型校園，為回應(yīng)教育部的號召，不少大學(xué)都采取了節(jié)能措施。然而，一些學(xué)校對能源的充分利用還沒有進(jìn)行深入研究，還沒有制定出一套行之有效的節(jié)能措施，因此結(jié)果并不顯著。根據(jù)調(diào)查，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，如果只是使用電燈的話，并不會造成很大損失，但是由于教室里的照明設(shè)備數(shù)量太多，再加上燈光的持續(xù)時間比較長，所以教室里的照明設(shè)備所需要的電能占據(jù)了40%以上的電力，并且還在持續(xù)的增長之中。為了節(jié)省用電，降低校園用電，每個人都要有意識地去參與。為了實現(xiàn)節(jié)約能源，我們還應(yīng)從其他方面著手，對大學(xué)校園內(nèi)的智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)。本系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計是為了適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用多種新技術(shù)，解決了校園供電不足，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。而且，它的研究和設(shè)計也符合了現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，為以后的研究打下了堅實的基礎(chǔ)，并在未來的工作中得到了進(jìn)一步的發(fā)展[3]。

2 校園智能照明節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計方案

為了實時統(tǒng)計進(jìn)入教室內(nèi)的人數(shù)，選用了兩個紅外對管進(jìn)行檢測，紅外對管可以檢測是否有人進(jìn)入教室，同時確定進(jìn)入教室的人數(shù)。為了方便統(tǒng)計人數(shù)，設(shè)計了一個最大計數(shù)99的計數(shù)器，統(tǒng)計的結(jié)果會同步顯示在LCD屏上。為了更加人性化，屏幕上還設(shè)計了顯示實時日期和時間[4]。

使用四個LED燈作為模擬教室內(nèi)的燈光所在，并根據(jù)教室內(nèi)的人數(shù)自動開啟，教室內(nèi)沒有人時LED燈不亮，教室內(nèi)人數(shù)少于十人點(diǎn)亮一盞燈，如果教室內(nèi)的人數(shù)處于十到二十之間，第二盞燈就會打開，教室內(nèi)人數(shù)大于二十人少于三十人時會打開第四盞燈，超過三十人時，所有的燈就都會被點(diǎn)亮。

系統(tǒng)設(shè)計了兩種模式分別是：自動模式和手動模式?？梢郧袚Q模式，切換方式通過按下切換按鍵切換，并且可以指示當(dāng)前所在模式。

當(dāng)處于自動模式時，可以設(shè)置一個時間段，當(dāng)在所設(shè)置的時間段內(nèi)，并且教室內(nèi)有人的時候，光照強(qiáng)度不滿足需要的時候會主動打開燈光，燈光點(diǎn)亮的數(shù)量會依據(jù)教室內(nèi)人數(shù)而定，不在所設(shè)置的時間段內(nèi)或教室沒有人的情況下，關(guān)閉所有燈光。切換到手動模式時，可以通過手動開關(guān)控制燈光的亮滅，人數(shù)統(tǒng)計功能依然工作。

根據(jù)教室內(nèi)的光照需求使用光敏電阻檢測教室的光照強(qiáng)度。選用單片微型計算機(jī)STC89C52作為該照明系統(tǒng)的控制裝置核心，同時外加多個外圍電路組成，其中有5個主要電路：環(huán)境光采集電路：主要采用光明電阻進(jìn)行設(shè)計；時鐘電路：采用DS1302時鐘芯片設(shè)計；熱釋紅外傳感電路：主要采用紅外對管進(jìn)行設(shè)計；LCD數(shù)碼管顯示電路：采用LCD1602進(jìn)行設(shè)計；按鍵電路，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計思路

3 校園智能照明節(jié)約系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由STM32F103c8t6 芯片、照明采集裝置、紅外線感應(yīng)器、顯示器、燈、鍵等組成。利用最小的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示；照明采集設(shè)備根據(jù)教室內(nèi)的光線強(qiáng)度來確定光照條件；紅外線傳感器通過紅外線來檢測教室內(nèi)的人數(shù)，從而形成開、關(guān)的條件；顯示模塊可以完成工作方式、燈光亮度、教室人數(shù)等功能；按鍵式電路，可進(jìn)行手動控制。

單片機(jī)芯片采用STM32F103c8t6 芯片，它有48根針，40根針在核心板上。而晶片管腳48個，晶片管腳40 個，晶體管的主要功能是輸出管腳VCC、GND、控制管腳PAX、PBX、PCX等，另外，在按鍵電池的正電極上，還設(shè)有一個VBAT 引腳，用以在系統(tǒng)RTC 斷電的條件下，使其能夠繼續(xù)工作。還有其他引腳需要連接相關(guān)運(yùn)行電路，非可編程引腳，因此也不會從核心板上引出來。

STM32F103C8T6 的總體結(jié)構(gòu)由ARM 的Cortex-M3、ST公司的總線矩陣、DMA(DMA)、AHB(AHB)、APB1、APB2(APB2)。Tortex-M3拋棄了普林斯頓（普林斯頓）馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，它使用了哈佛體系結(jié)構(gòu)，將指令存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分離，從而使Cortex-M3 具有32 比特的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑，32 比特寄存器和32 比特存儲器接口，在讀指令和數(shù)據(jù)后，MCU 的運(yùn)算速度大大提高。

設(shè)計系統(tǒng)硬件時所用工具為Altium Designer 20，它的優(yōu)點(diǎn)是功能齊全、專業(yè)的統(tǒng)一設(shè)計體系、高效的無壓力環(huán)境、原生3D PCB編輯器。

4 系統(tǒng)環(huán)境搭建與軟件設(shè)計

4.1 Keil5軟件開發(fā)環(huán)境的配置

Keil 相比IAR 與ADS 最大的不同，也可以說是最大的特點(diǎn)，就是內(nèi)置了豐富的樣例程序，不需要了解系統(tǒng)是如何啟動的，只需要在原來的基礎(chǔ)上改一下，加入自己的代碼就可以實現(xiàn)想要的功能。

環(huán)境搭建流程：芯片選擇，在Keil5軟件程序中打開目標(biāo)選項，在Device一欄中選擇STM32F103C8xu選項，然后OK確認(rèn)，點(diǎn)擊構(gòu)建選項進(jìn)行編譯后出現(xiàn)工程結(jié)果錯誤。下載器型號選擇，在目標(biāo)選項一欄中，選擇Debug一項，然后在Use一欄中選擇ST-Link Debugger選項。下載器識別，下載器型號選擇完畢后，點(diǎn)擊Settings1，能夠看到在SWDIO 一欄中出現(xiàn)序列號，則下載器識別成功。芯片容量選擇，下載器識別成功后，選擇Flash Download一欄。

4.2 軟件程序整體實現(xiàn)過程

教室校園智能照明節(jié)約系統(tǒng)程序開始后，通過按鍵識別進(jìn)行模式的更改調(diào)試以及系統(tǒng)時間、定時時間的設(shè)定。感光模式下，程序通過光敏電阻識別環(huán)境下的光照強(qiáng)度，分別在0～<1000、1000～<2000、2000～<3000 光照強(qiáng)度下進(jìn)行LED 燈數(shù)量的增減，表示教室內(nèi)燈光變化的過程。紅外模式下，程序通過紅外對管對進(jìn)出教室人數(shù)進(jìn)行測定，分別在教室內(nèi)有人、教室內(nèi)人數(shù)增加2人、教室內(nèi)人數(shù)超過5人3種情況下進(jìn)行LED 燈光數(shù)量的增減來調(diào)節(jié)教室內(nèi)燈光的照度。定時模式下，程序首先通過按鍵識別對系統(tǒng)時間和定時時間進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后程序會根據(jù)系統(tǒng)時間與光照強(qiáng)度來調(diào)節(jié)LED 燈光亮起的數(shù)量。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面圖

4.3 系統(tǒng)感光模式的實現(xiàn)

照度，即通過單位面積的光通量，反映了一個對象的表面在多大程度上被照明。每隔一段時間，通過一個區(qū)域的可見光就會被稱為光通量，而光通量的大小就是lm，一個發(fā)光體的光通量越大，所發(fā)出的光就會越強(qiáng)烈。

系統(tǒng)模擬教室燈光，當(dāng)光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度達(dá)到3000 以上時，LED 燈不會亮起；當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到2000～<3000 時，燈組中的LED 小燈會亮起兩個；當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到1000~<2000 時，LED 燈會亮起4 個；當(dāng)光照強(qiáng)度為0～<1000 時，LED 全部亮起從而模仿教室燈光，根據(jù)自然環(huán)境光照強(qiáng)度引起的燈光亮度變化。

4.4 系統(tǒng)紅外模式的實現(xiàn)

系統(tǒng)通過按鍵識別切換到紅外模式，當(dāng)紅外對管以自下而上的方向一次出發(fā)時，系統(tǒng)程序判斷教室內(nèi)人數(shù)加1，LED小燈亮起；當(dāng)教室人數(shù)達(dá)到3～4人時，燈組中的LED燈亮起數(shù)量增加為4個；當(dāng)教室人數(shù)為5 人以上時，燈組中的LED 小燈全部亮起。當(dāng)以自上而下的方向出發(fā)紅外對管時，程序判定教室內(nèi)人數(shù)減1，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)分別較少到3～4 人，1～2 人和無人的時候燈光依次會根據(jù)人數(shù)發(fā)生變化。

4.5 系統(tǒng)定時模式的實現(xiàn)

在定時模式下，系統(tǒng)通過晶振時間電路實現(xiàn)系統(tǒng)時間的控制和定時。首先通過按鍵，對時間系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，再根據(jù)系統(tǒng)時間設(shè)定合適的定時區(qū)間，當(dāng)系統(tǒng)時間未達(dá)到定時開始時間時，無論系統(tǒng)環(huán)境光照強(qiáng)度為多少，都不會觸發(fā)LED 燈亮起；當(dāng)系統(tǒng)時間達(dá)到定時開始時間并且在定時區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)會根據(jù)光敏電阻測出的光照強(qiáng)度亮起LED燈。

5 系統(tǒng)調(diào)試

初始狀態(tài)系統(tǒng)人數(shù)設(shè)置為0，光強(qiáng)通過p2.0 口來進(jìn)行控制，每當(dāng)按下開關(guān)按鈕時，就是模擬黑暗環(huán)境，電路板上的黑暗指示燈就會點(diǎn)亮?！皟?nèi)”“外”兩個按鈕則是用來模擬有人進(jìn)出教室時的情況，同時顯示屏?xí)?yīng)顯示教室內(nèi)的人數(shù)。當(dāng)教室內(nèi)有人且處于黑暗情況下教室內(nèi)的燈光就會打開，圖3是系統(tǒng)仿真圖。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

當(dāng)系統(tǒng)初始化完成處在自動模式下，自動指示燈亮，通過按鍵模擬熱釋電紅外檢測模塊，模擬當(dāng)處在所設(shè)置的時間內(nèi)并且教室光線黑暗，通過按下黑暗按鈕模擬黑暗情況。教室內(nèi)有11人時，照明系統(tǒng)在黑暗情況下自動點(diǎn)亮兩盞照明燈。按下切換按鈕時，系統(tǒng)切換到手動模式，手動指示燈亮。通過手動按下開關(guān)，打開照明燈，每按1下手動開關(guān)即打開一盞燈，按2 下則打開兩盞，3 下即打開三盞燈，4 下就打開所有照明燈，再次按下即是關(guān)閉照明燈。此時人數(shù)統(tǒng)計依然工作[5]。

在標(biāo)注了內(nèi)外的紅外對管處，用手指從外往內(nèi)滑動，模擬有人進(jìn)入教室的情況，先由外發(fā)射管發(fā)出輻射由外接收管接收，再經(jīng)過內(nèi)發(fā)射管和內(nèi)接收管，此時人數(shù)加1，在液晶顯示屏上顯示。當(dāng)處于黑暗情況并處于所設(shè)定好的開啟時間內(nèi)，根據(jù)教室內(nèi)的人數(shù)12人自動開啟兩盞照明燈。將打火機(jī)靠近DS18B20 溫度傳感器，由于火焰的高溫，溫度發(fā)生變化，DS18B20將測量到的溫度傳送給單片機(jī)并處理顯示在液晶顯示屏上，可以看到溫度由原來的30℃變?yōu)?7℃。

6 結(jié)論

系統(tǒng)采用Altium Designer 對系統(tǒng)核心電路板中的各個重要模塊進(jìn)行設(shè)計，采用模塊化編程設(shè)計，采用Keil開發(fā)軟件STM32F1xx支持包對感光模式模塊、紅外模式模塊、定時模式模塊進(jìn)行代碼編程，通過智能教室照明，幫助智慧教室轉(zhuǎn)型，實施更多的教室智能化。