基于嵌入式系统的教室照明控制系统的设计与论述

邵阳学院机械与能源工程系　刘军德　赵乘麟　周丽莉



基于嵌入式系统的教室照明控制系统的设计与论述

邵阳学院机械与能源工程系刘军德赵乘麟周丽莉

【摘要】本文详细论述针对高校教室灯光的控制方法与方式，尤其是高校教室灯光的智能控制方面的发展现状，论述了教室灯光智能控制的原理和实现方法，创新的提出了基于嵌入式的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上设计了智能控制系统的硬件装置和相应软件程序。基于嵌入式系统的教室照明控制系统以STM32嵌入式作为控制装置的智能元器件，采用热释红外人体传感器检测人体是否存在，采用光敏三极管构成的电路检测周围环境光照的强度;依据设置教室合理开灯的条件，基于嵌入式系统的教室照明系统通过对人体的存在信号和环境光信号的识别，通过智能判断，有序的完成对教室照明电灯进行智能控制，有效的避免了高校教室用电的大量浪费。系统还附带了多种报警功能。软件系统的程序采用C语言编程，使用现在常用的模块化结构设计、条理非常清晰、可移植性非常好，便于后续的改进和扩充。该系统不仅体积很小，而且控制简便，可靠性非常高，性价比合理等优点，理论上可以满足各种高校教室灯光控制的要求，在很多情况下可以很大程度的达到节电目的。

【关键词】教室灯光；智能控制；STM32；报警功能

0　引言

随着我国（不包括港澳台）的社会经济与科学技术的快速发展，我们的人们的生活水平也不断提高，导致我国（不包括港澳台）的高校教室用电负荷的加剧，随着二十世纪九十年代后期各类高校的快速扩招，高校的教室也的快速扩建。带来了高校的教室照明的需求也开始越来越多，而现如今我国（不包括港澳台）教室的照明系统的管理还有很多地方不是很完善，由此往往会造成大量的电能的浪费，因此，提高我国（不包括港澳台）高校教室用电效率就成为现当今首要考虑的问题，同样也是我国（不包括港澳台）首要考虑需要解决的问题。目前把智能控制技术应用高校教室灯光上面，国内外己经开始普遍采用这种智能控制，但是现如今对高校的教室灯光的智能控制水平，尤其是现阶段我国（不包括港澳台）高校教室灯光的智能控制水平尤为缺乏与不完善，我国（不包括港澳台）依然采用是传统式，即人工管理模式[1]。随着二十世纪年九十年代后期各类高校的不断快速扩招，由此带来高校的教室也需要不断快速扩建，产生高校教室的用电负荷不断加大，高校教室用电管理不善，造成高校电能浪费，经济损失，这种的浪费和现在我国提倡环保型发展是不相符的。而且，我国（不包括港澳台）现代自动化程度快速发展与计算机技术的快速普及，高校教室灯光的管理也应该会朝着自动化和智能化方向快速发展[2]。因此，开发一款基于嵌入式系统的教室照明控制系统，一款实用的教室灯光自动控制系统便具有了重要的现实意义和社会意义。

1　本文设计与论述内容

论述高校教室照明灯光控制器简介，分析研究系统控制方案。研究基于嵌入式系统的教室照明控制系统能在高校教室灯光进行智能控制，并且在能有效的应用于我国（不包括港澳台）现阶段的高校教室照明系统的改造与升级，应该实现对高校教室照明系统的人性化的智能化管理。实现自动与手动灯光控制相兼容，以降低基于嵌入式系统的教室照明控制系统的成本;通过反复试验和改进，最终达到可靠性与实用较好的目标。

1.1教室灯光控制器简介

高校教室灯光控制器可有效的实现高校教室灯光智能化控制。基于嵌入式系统的教室照明控制系统其输入的参数主要为人体存在的微弱信号和环境光强信号等的外界因素，当教室环境光照强度达到一定值（设定值）时不可以开灯，环境光照强度在一定阀值（设定值）以下且感应到有人存在时可以开灯，理论上和实验数据可以证明用这种方式来对高校教室灯进行智能控制，并且可以实现设计目标。

1.2系统控制方案的分析

本文所探讨的基于嵌入式系统的教室照明控制系统控制器以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入参数。基于嵌入式系统的教室照明控制系统可以实现自动与手动控制自动切换。在高校教室自然环境的光较强时（光照强度设定值由人为设置），无论有没有人存在教室，都不可能把教室的灯打开;在高校教室的自然环境光较弱的时候，有人存在且超过一定时间，基于嵌入式系统的教室照明控制系统的控制器自动打开高校教室电灯，直到教室的人离开后教室后再延时一定时间（由人为设置）后关灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过十一点，若教室还有人存在，基于嵌入式系统的教室照明控制系统则自动关闭控制器的运行，改用机械电子开关来手动控制，以解决高校教室因特殊情况下，自动控制器的不人性化等缺点[4-5]。本文所探讨的基于嵌入式系统的教室照明控制系统主要是由硬件系统和软件系统两大系统组成。硬件系统是前提，是整个系统安全可靠的执行的基础，它主要为软件系统提供程序运行的平台。而软件系统，就是对硬件端口所体现的信号，加以采集并进行分析，然后进行处理 ，最终实现控制器所要实现的各项功能，使的基于嵌入式系统的教室照明控制系统达到控制器自动或者手动相结合的基于嵌入式系统的教室照明控制系统的教室照明智能控制。

2　系统控制模块的硬件设计与论述

基于嵌入式系统的教室照明控制系统考虑到所安装的环境影响因素比较多，并且在高校教室控制设备中的光线感应模块电路和人体感应模块电路等常常会因高校教室的环境变化而变得工作不稳定，因此在基于嵌入式系统的教室照明控制系统的整个设计过程中，首先需要充分考虑的是各种电子元器件的选用以及备用、PCB线路布置和外壳设备的安放，使得本硬件抗干扰能力以及使用寿命都可以达到较高的水平。

图1　系统的组成结构框图

硬件系统的控制单元以嵌入式STM32主控模块为智能控制核心器件，配合其它外围电路，外围电路主要包括为光线感应模块电路、人体感应模块电路、时钟模块电路、照明电路模块电路、液晶显示模块电路和报警电路组成，其系统的组成结构框图如图1所示。

3　控制模块软件设计与论述

在基于嵌入式硬件系统的基础上，再配上对应的软件系统，才可以构成一个完整的基于嵌入式系统的教室照明控制系统。基于嵌入式系统的教室照明控制系统的软件的开发与硬件系统有着密切的关系与联系。在基于嵌入式系统的教室照明控制系统的硬件及输入输出方法确定无误后，基于嵌入式系统的教室照明控制系统程序软件系统就可以完全独立的进行设计与开发。在整个的程序系统设计过程中，基于嵌入式系统的教室照明控制系统设计采用合理的程序设计结构是一项非常关键的核心技术。在基于嵌入式系统的教室照明控制系统的设计过程中，软件设计思想总体采用自上至下将主程序设计好，而在各个部分的子程序时和主函数时，采用将每个小模块分别进行设计开发和编程调试，在编程的过程中本设计又用到了程序结构化设计的思想[6]。一款基于嵌入式系统的教室照明控制系统软件模块主要包括系统监控主程序模块子程序、液晶显示模块子程序、时间调整模块子程序、数据感应模块子程序和照明灯光模子程序块。

4　结语

本文基于嵌入式系统的教室照明控制系统具有软硬件设计简单，并且非常容易开发，具有安全可靠，操作方便，性价比比较高等特点，可应用于各高校教室等需要照明的场所，具有一定的实用性。本文论述了基于嵌入式系统的教室照明控制系统的设计，着重分析各单元电路的设计，以及各电路与单片机的接口技术。

参考文献

[1]冯义飞.教室照明智能控制的设计与开发[D].合肥工业大学,2007.

[2]王川,徐雪慧.高校教室照明智能控制系统设计[J].武汉职业技术学院学报,2015(01).

[3]诸静编著.模糊控制理论与系统原理[M].机械工业出版社,2005.

[4]Miki M,Hiroyasu T,Imazato K.Proposal for an Intelligent Lighting System and Verification of Control Method Effectiveness.2004 IEEE Conference on Cybernetics and Intelligent Systems,2009.

[5]李文杰.无线LED智能照明控制系统的低功耗研究与设计[D].华南理工大学,2015.

[6]孙宗智.基于无线及电力载波技术的分布式智能灯光控制系统[D].山东建筑大学,2010.

刘军德（1989—），男，河南信阳人，邵阳学院机械与能源工程系2015级硕士研究生，研究方向：机电一体化。

周丽莉（1991—），女，湖南常德人，邵阳学院2013级硕士研究生，研究方向:数字图像与智能检测。

赵乘麟（1965—），男，湖南邵阳人，硕士，邵阳学院魏源国际学院院长，教授，硕士生导师，研究方向：模式识别与图像处理。

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：

作者简介：

基金项目：湖南省教育厅重点科研项目（编号：12A068）。