基于STM32的教室智能照明监控系统的设计与实现

2019-10-22黄峻瑜梁巍俊李先鸿陈家成

科技与创新 2019年19期

黄峻瑜，梁巍俊，李先鸿，陈家成

黄峻瑜，梁巍俊，李先鸿，陈家成

（广东技术师范大学，广东广州 510450）

当下国内学校教室的大多数照明设备都是由手动开关控制的，即使严格管理，也不可避免造成大量的能源浪费。针对这些问题，设计了一种教室智能照明监控系统。该系统以STM32F103- VET6控制器为核心，以LED为控制对象，由光学检测模块、ZigBee无线通信模块和红外模块组成。在分区控制模式下，调光系统使用单神经元自适应PID算法。通过检测室内自然光强度和人员信息，控制器可以根据智能算法实现灯具的自动切换和调光功能。

教室；智能照明监控系统；ZigBee；STM32F103-VET6

1 引言

随着中国教育行业的发展，学校用电量大幅增加，电料损耗也随之增加。当下照明自动控制装置主要使用热释电红外检测、被动人体感应检测等方法，但是效果不是很理想。只使用单元方法，没有主动检测器，或者虽然有主动检测器，但是灵敏度不高，通常教室的灯总是在没有人的时候工作，有人在时熄灭。这种比较原始的控制方式已经不适应电器控制的智能化要求，无法实现联网控制和远程控制，也无法在系统层面进行统一管理。

在这种情形下，校园管理方面虽然严格要求放学之后关灯，但实际上仍然有大量照明用电设施在无人使用时灯火通明。况且电气设备均有一定的使用寿命，如果电灯常亮不灭，对其寿命也有影响。

为了减轻管理学校照明工作人员的工作量以及节能降耗，本文设计了一种智能照明控制系统，该系统核心使用芯片STM32。当教室里没有人或光线充足时，它会自动关灯；当有人或光线不足时，它会自动开灯。

2 总体设计方案

根据教室空间以及座位的布局，把教室内部划分为不同的区域，在相应区域内的LED灯具上安装红外传感器。该套系统通过传感器探测教室内人员多少及分布，通过芯片控制相应的LED灯，满足教室内光照强度需要。光检测模块用于检测教室各区域的光强，红外模块用于检测人员的在场信息，采集到的数据系统通过光检测模块和红外传感模块采集现场信息。前者用于采集现场的光照亮度，在亮度低于阈值时触发LED灯的控制功能；后者用于检测现场有无人员活动，有人活动则会触发照明条件，无人活动触发熄灯条件。这两组数据通过算法综合运算，调节照明设备的开启或关闭。数据被输送到单片机，并对这些数据进行相应的处理，处理结果传送相应的终端对LED进行控制。

系统分为数据采集模块、无线传输模块、数据处理模块、电源模块。数据采集模块包含亮度采集模块和红外传输模块。这两个模块把现场的亮度和人员活动信息采集到之后，通过无线传输模块传到数据处理模块。无线模块使用ZigBee协议，使用CC2430处理器进行数据的转发。数据处理模块使用STM32控制器，对传回的数据进行分析，依据设定的程序，对教室内的光线进行调节。计算机终端放置在值班室，教室内安装监控设备，与值班室的电脑相连。如此可以实时监控每个教室内的情况。值班室电脑同时与STM32相连，可以在电脑上控制教室内的亮度。

系统通过手动模式和自动模式对教室的照明亮度进行调节。自动模式为一般模式，用于教室照明的自动化常态管理；手动模式是在特殊情况下的操作模式。

3 主要硬件设计

3.1 电源模块

照明监控系统由不同的模块组成，每个模块的供电电压不同。因此，需要针对不同模块设计电源转换电路。在本文设计的系统中，控制器STM32额定电压为3.3 V，而无线通信模块的额定电压为5 V。电路中的220 V交流电通过变压器220 V/12 V在保险丝F1的保护下转换成12 V交流电输出；然后经过桥式整流、电解电容滤波和稳压芯片LM7812，转换成稳定的12 VDC。LM2596稳压芯片可以将直流电压从12 V降到5 V。AMS1117稳压芯片可以将直流电压从5 V降到3.3 V。

电源模块的硬件电路如图1所示。

3.2 LED驱动电路

本文设计的系统采用芯片STM32驱动LED灯具的方案。同时，系统使用脉宽调制调光技术，该技术通过频繁的开关LED调节其发光亮度。由于LED灯的开关频率很高，所以人眼无法识别。PWM调光驱动电路如图2所示。

图1 电源模块硬件电路图

图2 驱动电路图

PWM的调光需要外部输入脉冲信号，脉冲信号从PA1端输入，通过调节脉冲信号的占空比，控制开关频率，进而影响亮度。脉冲的频率一般高于100 Hz，因此，人眼不易察觉到LED闪烁。

3.3 光检模块电路

光检测模块电路采用照度传感器。端子9外部连接有光强发射器。亮度传感器的原理是使用对亮度敏感的光敏传感器，不同亮度下，电阻阻值不同，从而引起电流的变化。电流的变化范围在50～100 mA之间。电流信号再转换成电压信号，电压信号输送到控制器内部的模数转换单元，把模拟信号转换文数字信号。在模块的供电方面，STM32的工作电压为3.3 V，由于输入电压为5 V，因此需要降压芯片。根据降压芯片的计算公式，选择150 Ω的电阻搭配降压芯片。

4 系统设计

系统设计的目的是通过程序实现一定的功能。对于本系统来说，就是根据传感器采集的信号实现对教室照明的自动化控制。本系统主要包括控制流程运行模块、主程序模块、节点程序模块的设计。节点程序完成数据的收集、存储、转发功能。主程序完成数据的处理、运算功能。

照明控制系统的核心程序是主程序。系统启动之后，会进行系统的初始化。初始化完成后，有两种模式可供选择，一种是自动模式，一种是手动模式。自动模式是让系统自动决定教室亮度，手动模式是人为控制亮度。

自动模式下，系统首先通过红外传感器传回的数据判断教室内是否有人员活动。如果无人员活动，照明设备关闭；如果有人员活动，则程序继续运行。读取亮度传感器的数据，判断是否达到开启照明设备的亮度阈值。如果达到，则开启照明设备；如果没有达到阈值，则不开启。

5 实验验证

系统设计完成之后，选择某校园的教室进行实地验证。教室有40 m2，将教室区域分为4个，每个区域有一组传感器（包含光线传感器和红外传感器）。教室内的照明灯连接到继电器，控制单片机也连接到继电器。教室终端控制器通过ZigBee无线传输协议连接到计算机终端。

实验结果如下：①在自动控制模式下，光线充足时，从教室的4个区域一路走过，教室的照明灯一直未亮。②自动控制模式下，傍晚光照不足时，教室内无人时，照明灯不亮；进入人员一次通过4个区域时，4个区域内的照明灯一次亮起。走过的区域，30 s后照明灯熄灭。③自动控制模式下，23：00后进入教室测试，一次走过4个区域，教室照明灯均不亮，这是因为学校规定22：30熄灯。