多媒体教室的智能照明控制系统

王雯娇

长春金融高等专科学校现代教育中心，吉林 长春 130012

0 引言

随着我国经济的发展和国民生活水平的不断提升，室内照明已经不限于服务人们的基本生活，而成为人们在生活、工作以及学习过程中的重要保障，良好的室内照明能够有效提升人们的生活、工作以及学习的质量。在我国各级学校中，多媒体教室都是十分重要的教学资源，但相关数据显示，部分学校在使用多媒体教室过程中，对电力资源存在较严重的浪费。过度使用灯光照明不仅会造成电力资源的严重浪费，还会影响学生的学习质量，甚至会对学生生理上造成不良影响，特别是视力。因此，在新时代背景下，研究设计多媒体教室相对应的智能照明控制系统，不仅有助于倡导中国节约型社会的建设理念，还能够有效保护学生的视力，提升学生学习效率。该课题具有一定的研究价值。

1 智能照明控制系统方案

1.1 方案论证

多媒体教室智能照明控制系统设计的重点在于对多媒体教室内的灯光进行智能化操控，由此实现节能、保护学生视力、提升学生学习效率的意义。因此，在多媒体教室智能照明控制系统建设过程中，首先需要确定科学合理的控制器。控制器作为智能照明控制方案中的核心点，目前可采用DSP、FPGA、单片机等。多媒体教室智能照明的核心目标是护眼和节能，因此不需要过于复杂的控制系统，DSP、单片机等完全能够满足智能控制的需求。考虑到单片机操作方便、性价比高，因此选择单片机作为该控制方案的核心[1-2]。

1.2 设计思路

选择AT89S52单片机作为多媒体教室智能照明控制系统的核心，并为该系统配置信息收集模块、执行模块、电源模块。采用光照强度感应器来实时测量多媒体教室中的光线强度，采用红外线感应器来判定多媒体教室内的人员流动情况，基于人员情况与光线强度，发出对应指令。基于上述设计思路，设计了多媒体教室智能照明系统的整体设计思路框架，如图1所示。

图1 多媒体教室智能照明系统的整体设计思路框架

图1 中，控制系统由控制器集中控制，配合外围传感器获得多媒体教室内环境（尤其光照）实时状况，自动控制灯具、窗帘等调整光照环境。在室内光照条件较好的白天，甚至有可能出现光照过强问题，此时可以通过自动控制灯具、窗帘的方式来调整自然光照强度。当光照条件不足时，则将根据设置好的阈值自动开启灯具，补充光照。在白昼状态下，智能照明系统主要起到辅助自然光线照明的作用；在傍晚和黑夜状态下，以人工光源为主，作为光照补充。以光照相关传感器获取光照环境和光照范围信息情况，将实时信息上传至控制器，比对所设定的最佳光照参数，进而自动调整窗帘、灯具以获得最佳的光照效果。注意光照范围，针对教室而言，学生所处位置对光照范围有影响，因此添加红外传感器，检测区域人数，以配合调整区域光照强度。

值得注意的是，存在一种特殊情况，即白昼状态下光照过于强烈时，室内光线可能会对学生的眼睛造成伤害，如晴朗天气，太阳光直射黑板，可能会产生较强烈的反射，导致学生看不清板书，且会对眼睛产生伤害，此时控制器将自动开闭窗帘，控制光照强度[3-4]。

2 智能照明控制系统硬件设计

2.1 数据收集电路设计

因为多媒体教室智能照明系统主要是基于教室中的光线情况、人员数量以及方位情况来开展感知判定的，所以该智能照明系统的数据收集主要来自室内光线收集和人员感知[5]。

（1）室内光线收集。为了收集光线信息，可以采用性价比较高的光电传感器。光电传感器包括模拟和脉冲2种类型，前者原理在于光电元件流过的光电流会根据光通量的变化而变化，因为光电流为非电流函数，所以可以测定位移、表面光滑度、振动等。后者光电元件感光只有形成通路或短路2种模式，不输出电信号，多数制作继电器或脉冲发生器，以检测位移、速率、转速等。光电传感器的核心为光敏二极管和电桥，由于光敏二极管受光照影响而变动电阻，在无光照环境下，电阻极高，电压极大，JEFT接通，RW适配实现电桥平衡，而在有光环境下，光照强度越大电阻越低，当达到一定阈值，电桥不平衡，由此可以实现对多媒体教室的人工光源调控。

（2）室内人员感知。其核心原理是通过红外线技术，来感知教室中是否存在人。红外线技术是一种基于热量释放效应的感知技术，即通过空间内的温度变化，感知人体辐射的所外放的能量。在感知到人体发出的红外线信号之后，立即形成1个对应信号，通过单片机对其进行处理，转换成数字信息，之后单片机经历程序的判定处理，决定后续的操作内容。

2.2 电机控制电路设计

在多媒体教室智能照明系统中，建议使用直流电机作为控制电路。优势在于接线方便，原因是其只存在正负极，交换便可以对正反转进行调试，通过变频器调整电压电流，即可完成电机调速[6-7]。

对于直流电机，在多媒体教室智能照明控制系统中的驱动电路一般可以采取4种技术方案：专业集成驱动电路、驱动芯片和分立功率元件组成的驱动电路、继电器与JFET构成的驱动电路、继电器组成的驱动电路。在实践过程中，需要电机设备可以进行正反转，但是对转速和时间控制的要求不高，因此使用继电器与JFET构成的驱动电路驱动电机。电路整体结构示意图如图2所示。

图2 电路整体结构示意图

图2 中，4个JEFT管分别为VT1～VT4,其中VT1、VT4一组，VT2、VT3一组，构建四臂电桥，从而通过调整A相和B相的电平差实现正反转。从电路来看，当A相高电平，B相低电平，则电流由正极流过VT1，经过电机，再从VT4回负极，VT2、VT3断开，电机正转。反之，VT2、VT3接通，VT1、VT4断开，则电机反转。JEFT管在该电路中起到预防反向电压的作用，避免电机两端与晶体管出现过电流造成问题。如果成本预算较高则可选用智能化开关模块直接控制电机正反转。

3 智能照明控制系统软件设计

针对多媒体教室智能照明控制系统的软件设计，主要是基于数据信息处理电路来开展相关活动，即基于单片机开展相关程序的设计。软件程序的整体执行流程：通过获得传感器获得数据信息、针对数据信息开展实时处理、判定多媒体教室的状态是否应该开启或关闭灯源以及具体开启的灯源数量。单片机由此实现对多媒体教室内光源的自动化控制，从而有效代替人工操作。控制程序是智能照明控制方案中关键的一环，程序是否合理直接关系到控制方案的可行性和科学性。设计控制程序逻辑示意图如图3所示。根据中国教室照明设计相关质量标准与规范要求，设定300 lx为程序控制的下限阈值。根据相关研究和实践经验可知，教室各区域光照强度大于6 000 lx时，会导致学生出现炫目情况，看不清投影屏上的画面，甚至部分区域学生眼睛会遭遇巨大刺激，因此以6 000 lx作为上限阈值。

图3 控制程序逻辑示意图

基于上述结论可知，在多媒体教室当中，光线强度超过6 000 lx时，即可判定为光线过强，已经达到会伤害大部分学生视力的程度。因此，若检测到多媒体教室中存在人员，需要对学生的视力进行保护，主动通过直流电机拉上窗帘；若光线强度低于300 lx时，则可判定光线强度不强，但是也可能对学生的视力造成伤害，因此需要对光照进行补偿。

红外检测与光照强度检测，在程序逻辑中应当存在优先级，并不能单纯设定为“和”“或”，这2种情况所代表的逻辑关系并不足以让光照环境满足多媒体教室光照调整需求。红外检测主要测人数，学生集中区域可能需要更强的光照，但是因为教室空间存在限制，而且灯具也有直射、散射等布置方案，所以应当优先光照检测，除非灯具采取直射布置方案且教室空间巨大，否则红外检测只能作为辅助手段。简而言之，在光照强度适宜的情况下，即使多媒体教室中的人数再多，灯光也不会开启。

设计主程序时，设计人员还需考量延迟因素。因为所用传感器主要考虑简单易用特性，并非智能化元器件，所以需要解决的关键问题为干扰问题。干扰影响传感器的精度，使传感器获得的信息可能不准确，但传感器将信息传输至控制器后，只要能够识别，就有可能开闭灯具、窗帘。因此，必须加入延迟设计，控制器可以基于延迟对传感器传输的信息进行识别判断，抵抗干扰因素，增加控制系统的性能。

值得注意的是，在进行多媒体教室智能照明控制系统主程序设计时，首先，需要对该照明系统进行初始化处理，设计定时器设定初值、P0口的初值等；其次，将该系统进入死循环，即收集光线信号、红外传感器信号，与设计阈值进行对比；最后，基于判定结果，执行对应的信号输出任务。另外，应当设计延迟程序，从而预防学生在多媒体教室上课或自习过程中短时间“休息”时，系统对灯光的开启和关闭频率过高，不仅对学生的视力健康造成严重的负面影响，还无法实现对多媒体教室照明的智能化控制，且难以实现节能的客观要求。为此，进行试验，将延迟时间设定为10 min，在学生休息时长超过10 min时，系统将判定为该多媒体教室中没有人，执行关灯命令。在不开灯或者关灯的环境中，有人按下开关，想开启或者关闭灯光时，此时多媒体教室的智能照明控制系统将会具有最高的优先级别，基于人的意志来开展相关操作。

4 智能照明控制系统调试

基于上文软硬件的设计，先布置硬件及电路，这是控制系统的基础，也是保证控制系统合理有效的关键基础。因此，重点考虑对硬件部分的调试，特别是传感器部分，这是非常重要的内容，将在很大程度上影响智能照明系统的使用效果，软件的调试需要基于现有的使用感受进行适当调整，以提升用户体验度。

为了使传感器模块的使用达到最大化效果，需要衡量多媒体教室中光线强度分布和均匀程度。该系统的本质是为人服务，因此多媒体教室对光线的要求如下：学生可以舒适地看书、写字、观看演示，且可以保护学生视力，以增强教学效率。基于上述要求，传感器部分安装位置应当满足人员在教室内活动需求，同时与灯具安装位置、光照方式相匹配。实际多媒体教室为教师和学生服务时，教室的整体天然采光能力较强，在墙壁阻隔等个别区域可能采光效果较弱，而没有阻隔的个别区域则可能采光过强，使光照过于强烈，因此配合灯具安装与照明方式，传感器可安装于课桌、讲台、黑板等位置。

5 结束语

智能照明控制系统在多媒体教室实践过程中的积极作用明显，不仅能够有效控制室内光线强度，让学生和教师享受到最合理的光线照射，方便相关教学活动的开展，而且可以节约能源。因此，有必要在多媒体教室安装智能照明系统。基于此，结合相关经验，笔者从硬件和软件层面，论述了多媒体教室智能照明控制系统的建设要点，希望抛砖引玉，让相关技术在实践过程中变得更为成熟。