教室灯光智能开关控制系统的研究

李俊昊 王磊 王必祥 朱荣庆

摘 要：本文针对目前高校教室“全亮灯”“白昼灯”等电能浪费现象，设计了一款教室灯光无线智能开关控制系统。该系统由信息采集系统和灯光控制系统两部分构成，信息采集系统中的热释红外检测模块完成人体存在信息的采集、光敏传感器模块完成光强信息的采集；nRF24L01无线发送、接收模块完成信息数据的传送；灯光控制系统中的继电器、振动传感器模块完成对教室灯光的智能化控制。系统具有自动和手动两种工作模式，能够实现自动熄灭灯光的功能。研究表明：该系统能够大大地提高教室的节能效果和管理的智能化程度。

关键词：无线智能 nRF24L01 继电器 节能

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（c）-0038-03

高等院校的教室作为开展教学和学生学习交流的重要场所，为了方便学生之间的学习和交流，大多都采用分时段自由开放式的管理运作模式。由于这种模式很大程度上取决于人的主动性，不能智能地控制灯光的点亮和熄灭，因此在教室里仅有几个人，甚至在无人的情况下，频繁出现所有的灯具都处于运行状态的“全亮灯”现象；或在白天教室中的光线强度已经满足学习要求时，而灯具依然没有及时关闭，出现“白昼灯”现象[1]。这不但为学校的电力支出增加了负担，而且造成大量的电能浪费。所以对教室灯光智能化节能控制系统的研究具有现实意义和很大的实用价值[2]。

1 系统总体方案

该方案如图1所示，系统主要以单片机STC89C52芯片[3]为核心控制元件，由光照强度检测、热释电红外检测模块、无线发送、接收模块、继电器控制等模块组成。工作时，信息采集系统中的热释电红外检测电路和光照检测电路采集教室灯光各区域下是否有人、光照强度等信息传送到单片机，单片机进行分析判断，通过无线发送模块向灯光控制系统发送信息。灯光控制系统的单片机执行控制指令，通过控制继电器的状态来智能化地控制教室灯光的熄灭。

信息采集系统最主要目的是要保证各个传感器所采集的信息的准确性，依据教室光照强度分布、热释电红外模块所探测范围和高校教室面积的大小，合理地将教室划分成7个区域，将控制器安装在各区域天花板上。控制器由+5V电源电池、热释电红外检测、光强检测、无线发出模块等构成。它是以单片机为核心的数据采集和处理装置，单片机通过I/O口直接与光敏传感器、热释电红外线传感器相连，可以实时采集它们发送的数据，进行识别判断。灯光控制系统中包含自动、手动控制两种模式，实现手动、自动一体化的功能。自动控制模式下，系统能智能地熄灭教室某区域的灯光和允许某区域的灯光点亮，在手动控制模式下，教室灯具的开关状态由人来决定，两种模式达到了智能化、人性化控制的效果。

2 硬件设计

系统中的无线发送、接收模块均采用的是 nRF24L01无线射频芯片。nRF24L01芯片功耗低，以-6dBm的功率发射时，工作电流仅为9mA；接收时，工作电流仅12.3mA，多种低功率工作模式（掉电和空闲模式）更利于节能设计[4]。该模块的接口共有8个引脚，分别为GND、VCC、CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ[5]，其中GND为电源地，VCC为3.3V工作电压，IRQ为外部中断引脚，其余为芯片的控制引脚和数据引脚。工作时需使用AMS1117-3.3芯片，将5V电压转换成3.3V电压，电路设计图如图2所示。

灯光控制系统中的控制器采用的是交流市电供电，其电压为220V，所以需将电源转化电路将交流市电转化为5V低压直流电，如图3所示，电源转换电路采用变压器降压，再整流滤波，获得5V电压。

热释电红外检测人体模块采用的是以BISS0001為核心的HC-SR501热释电红外传感器组件，该模块主要由人体红外传感器、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成。当传感器检测到人体发出的红外线时，会产生的信号经过处理后传送到单片机。光敏电阻对教室的光强非常敏感，它的电阻与照射到器件表面的光强有关，光照强度越大时，光敏电阻的阻值越小[6]，反之越大，可用来检测教室的光强，当教室光照强度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当教室光线强度超过设定阈值时，DO端输出低电平，DO输出端与单片机直接相连，单片机通过检测高低电平，来检测教室的光线强度改变。电路设计如图4所示。

如图5所示，选取控制一盏教室灯具的电路设计作为示意图，在自动控制模式下，当教室的灯具开关K1处于闭合状态时，执行教室灯光的熄灭可由继电器组成的控制电路来决定，当教室的光照强度满足要求时，或教室某区域下无人状态时，单片机发出指令让P1.0口始终输出高电平，控制三极管Q1处于放大状态，继电器通电，在这里电路中采用的是常闭开关，即当继电器通电时，会使电路中的开关K2断开，则继电器控制的该区域的灯光被熄灭。

在手动控制模式下，当有人按动教室灯具的开关K1时，会产生振动，灯光控制系统中的振动传感器就会检测到振动，将信息传递给单片机，单片机会执行程序，使P1.0口输出低电平，则三极管Q1处于截止状态，继电器J1处于不通电状态，此时电路中的开关K2处于闭合状态，该区域灯光点亮。

3 软件设计

软件设计采用了模块化结构，工作流程的软件程序开发采用Keil5开发环境，使用C语言进行模块化编程，条理清晰，为系统调试带来方便。当主、从控制器上电后，各个模块进行初始化，包括时钟初始化、端口初始化以及变量初始化。程序流程如图6所示。

当灯光控制系统接收到来自信息采集系统发出的模式控制信号时，会进行模式判断，若为手动模式，当振动传感器检测到振动时，单片机会使引脚P1.0口始终保持低电平，三极管Q1处于截止状态，继电器不通电，电路是通路，让教室内灯光仅受室内手动照明开关K1的控制；若为自动模式，当教室的光照强度满足不需要开灯条件时或检测到某区域无人员存在时，单片机引脚P1.0输出高电平，继电器J通电，电路中的开关断开，教室的灯光就会熄灭。

4 结语

本文通过针对高等院校教室灯光使用不合理造成电能浪费的现象进行分析研究，对传统的教室灯光控制系统进行智能化的改进，实现对灯光智能化控制的功能。本文综合利用了应用电子技术、传感器技术、单片机技术、无线通信技术等完成了对高校教室照明节能智能控制系统的研究与设计。经过研究表明：该系统具有较好的节能效果。

参考文献

[1] 周鹏，蒋方剑.教室照明光感节电控制器的设计与应用[J].电子科技，2011，24（9）：54-55.

[2] 伍世云，罗江，王益艳，等.基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计[J].电子设计工程，2016，24（23）：180-182.

[3] 保金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[4] 赵江波，方欢，李龙林.基于IAP单片机和nRF24L01的智能家居控制设计[J].数字技术与应用，2015（10）：24.

[5] 贺敬行，薛亚平，李建荣.基于nRF24L01的通用型遥控开关的设计[J].电子世界，2014（18）：242-243.

[6] 郑时春，周燕，雷显国，等.单片机控制的热释电红外节能照明开关设计[J].科技创新导报，2014，11（4）：111-112.