姚勇 吴田

湖北第二师范学院 湖北武汉 430205

伴随经济高速发展的同时能源消耗也与日俱增，其中高校逐渐成为用电大户。在全国的节能工程中，高校节能对带领社会树立节能意识和促进经济发展起着重要的作用。由于照明系统的技术和设备原因，人工手动控制教室灯光会出现各种各样的问题，例如忘记关灯，就会出现高校教室存在着“人走灯未关”的情况,也会出现“长照明”“人少灯多”等浪费用电现象。由此可以得出高校中能源浪费严重，特别是教室内的灯光控制。相对于有效利用量，损耗量则占了较大的比重。另外，各高校的照明系统也有待更新[1-3]。因此使用更加节能、绿色的照明装置和照明系统，成为现如今各高校改变现状的重要方向和手段。如何解决高校能源损耗这一重大难题，设计完备有效的智慧教室照明监测系统成为最有效的途径。

针对上述问题，本文提出智慧教室中照明监测系统，系统可以根据人数的分布以及光照的强弱来实时、动态地控制教室的照明，可最大程度上实现节能。本系统可以广泛地运用于教室、办公室、厕所及图书馆等公共场所。不仅可以减少对教室内照明管理的人工成本，还可以减少能源的浪费，实现节能减排绿色照明的要求。

1 系统框架设计

本系统的设计是以STM32为控制器的一个智慧教室监控系统，还包含着人体红外监测模块、可见光强度监测模块、LED模块、OLED显示模块等。该系统的原理图如图1所示。

图1 原理图

2 模块功能设计

2.1 处理器模块

根据课题需求并结合各型单片机的综合性能，本课题采用STM32型单片机作为控制器。STM32系列单片机具有许多优于51单片机的性能，它具有较高的性能、高速率、较好的性能以及较低的成本，同时它的集成度也非常高，工作功耗较低，并且可实现产品化等优点，为此可以得到广泛使用。在此基础上，采用STM32F103C8T6作为主控制器，并结合其他的功能模块，进行智能管理。STM32F103C8T6单片机最小系统电路设计主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振电路、复位电路、启动模式电路等。

2.2 人体红外监测模块

人体红外监测模块通过红外监测模块，采用光电开关传感器工作原理：发射器会发射出一定频率的红外线，当监测方向遇到障碍物时，红外线发射回来被接收管接收。通过借助红外线来监测、判别物体的红外传感器，同时具有稳定、抗干扰性强、绿色节能等优点。

光电开关传感器由接收管和发射管两部分组成，LED红外发射管和接收管都是一个二极管，他们的功耗都是70MV，正向电流限大30MA，反向电压限大5V。红外传感器是监测人类或动物存在的优秀设备，其外形尺寸小，设计坚固，可用于低成本的监控。红外传感器通常和其他各种模块进行组合来实现各种各样的功能，如医疗保健、智能能源系统和安全、触发入侵者警报、在人出现时启动家用电器和智慧教室等。本文展示了仅使用一个红外传感器，它结合信号处理，就可以清楚地估计教室内的人数。此外，硬件和软件资源被用来解决市售通用微控制器和传感组件的有限计算能力，以降低整个红外系统模块的成本。该应用领域可以扩展到任何一个领域，在本次的智慧教室监测系统中利用红外传感器来监测教室内人数。红外传感器的种类也有许多，例如：避障红外传感器、循迹红外传感器、遥控红外传感器、火焰报警红外传感器等。

采用最为常见的避障红外传感器来实现人数监测的功能。这种监控方法可以根据人体释放的红外信号变化很容易判断出是否有人，而且人体红外传感器价格低廉，信号处理简单。当发射管发射信号时，如果此时没有人，同向输入端的电压VCC，而反向输入端的电压由于加入了分压器，所以VfV-，所以输出的是高电平。当遇到人时，发光二极管是截止状态，此时监测的是低电平(GND)。反向输入端Vf>GND，此时输出低电平，则导通。

2.3 可见光强度监测模块

可见光强度的监测，通常利用光照传感器来监测光照的明暗程度。本次系统将使用光敏电阻监测模块来监测室内的光照。常用的光敏电阻即硫化镉光敏电阻器是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化，在黑暗条件下它的阻值可达1～10兆欧,在强光条件下，它的阻值仅仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

本系统做了一个光敏电阻和电压比较器，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算器。尽管本设计中只是用了其中一个比较器，由于芯片价钱不高，而且待用单元可供今后系统的更新拓展，这也是硬件设计的基本原则。

2.4 OLED显示模块

OLED显示器是发射型的，可以产生光，一个OD显示屏由多层薄膜堆和一个圆形偏振器组成，可以减轻环境光发射，每个像素都可以单独开启，需要多个薄膜晶体管来确保稳定的电流流动。在色彩饱和度方面OLED显示器覆盖100%的Adobe RGB,可以提供更好的图像质量。它的响应时间非常迅速，没有运动模糊。OLED显示器相对于LCD更加薄，更为灵活。因为它们有更少的组件，且不需要背光，有一个固体而不是模块化的结构。在OLED显示模块中执行着显示教室内人数和光照强度的功能，把通过红外传感器和光敏电阻测得的数据显示在OLED屏幕上。

3 方案论证

3.1 智慧教室节能照明实现方案论证

对于智慧教室照明监测系统的设计，需要解决两个关键的问题。一个是监测人数，另一个是监测自然光的强度。围绕着这两个方面，然后按照所要实现的任务，模块化地进行设计实现，从而确定不同的功能模块，最终通过一定的方式进行连接。系统包含了系统核心STM32单片机以及输入用于监测人数的红外线监测电路和用于监测光照强度的光照监测电路。对于系统的输出是根据监测教室情况而调整教室内照明的LED指示电路、用于显示监测的人数、光照的强度的OLED显示电路以及继电器执行电路。最终则是通过继电器的执行电路来进行判断是否需要开灯，从而实现教室内光照的智能自动调控。通过流程图将更为清晰、简明地描述系统方案的实现，通过流程图的绘制和描述加深对系统功能的理解。

本方案的特别之处在于首先可以通过红外传感器监测教室内的人数，这里不仅起着判断是否有人的作用，同时起着监测人数的作用。其次，它的可见光强度的监测和调光电路都有不同之处。在初始化的同时设定一个光照阈值E0，当测得当时的光照强度E后，与E0进行比较，如果E

3.2 人数监测电路方案论证

在本系统中对人数的监测是首要环节，体现了这个系统“以人为本”的理念。在通过监测人数之后，既起判断教室内是否有人的作用，又能起着监测教室内的人数的作用,为后续的光照的监测或关灯做出一个初次的判断。同样，人数的监测在公共设施和健康安全的监控、进出人员的管理、军事活动等方面有着重要的意义。但是一般的人数统计和监控花费较大，既要消耗大量的人力，还耗费大量时间，同时不但资源人力成本高，而且人在长时间工作状态下会有所疏忽。为此，通过研究员们大量的研究，实现了多种人数监测方案，本文选取了最优方案来讲解。

本方案是通过红外避障传感器来监测人数，红外避障传感器具有一对红外发射和接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当传感器的监测方向遇到障碍物时，红外信号发射回来被接收管接收，经处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。因此可以利用两个红外传感器来监测人数，在教室门的内外各安装一个，人进出门时两个传感器监测到人的先后顺序不一样，从而对人进行加一减一的计数操作。从而得出进入教室的人数和走出教室的人数。然后通过进入的人数减去出去的人数，最终得出教室内的总人数。本方案反应灵敏，而且价格低廉，是最适合普及使用的。

3.3 可见光强度监测电路方案论证

目前在光照监测技术上常用的一些光电监测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据下表进行比较。

光电监测器性能比较表

光照传感器可以灵敏地监测光照和温度情况，它可以用来监测室内或一些公共场所的光照，用来满足所需要的功能。其中使用比较普遍的分别是光敏电阻模块监测和光敏二极管模块监测。这两个模块的功能基本上一致，都可以感应环境的亮度，作为简单判断是白天还是黑夜，是阴天或者晴天。例如，在农业大棚中，通常利用它来监测一天中的光照，可以更好地促进蔬果的生长发育。此外，室内灯光的控制，可以根据不同光线，来调控室内的照明。如在昏暗的雨天，通过监测此时较暗光线，再根据监测数据来决定室内的照明，也是一个较好的方法。同时光敏电阻和光敏二极管都有相同的引脚，从左到右分别是VCC、GND、DO、AO，而且都是低电平出发。

光敏二极管又叫感光元件，光敏二极管与二极管的构造相似，它的内核是一种 PN结，它的感光性质是单方向导电，所以需要在工作时加入一个反相电压。另一方面，光电二极管监测方案使用一个光敏二极管来监测光的强度。由于光电二极管具有高带宽和光电流与光强度之间良好的线性关系的特点，因此可以根据它的光监测特点，设计一个简单的光监测电路。

3.4 系统验证

基于STM32智慧教室照明监控系统是通过人数监测模块和光照强度监测模块采集当前教室环境内的人数与光照强度的数据值，与预先设置好的人数和光照阈值进行比较，从而执行系统的功能。本次系统设置了两个阈值：首先是人数，当人数为people：0，此时表示教室内无人。此时，不管教室内的光照是强还是弱，教室内的灯光都将处于关闭情况。其次是光照阈值为Light：30%。当人数大于零时，表示教室内有人。当光照强度大于30%时，表示教室内光照较强，则不需开灯。当光照强度不足30%时，表示教室内光照较弱，则需要开灯，如图2所示。

图2 教室内有人，且光照较弱的情况

4 结论

本论文设计了一个利用STM32作为控制器的智慧教室照明监测系统，能根据人数以及光照的强弱来实时、动态地控制教室内的照明。首先，对系统的实现做了一系列的论证，列举了三种有待实现的方案。通过对三种方案的分析，有层次地对系统进行优化，从而得出最有效的方案来实现教室照明的智能控制。接着对人数监测方案和可见光强度监测方案进行论证分析，最终确定了通过红外传感器监测人数和通过光敏电阻来监测可见光。同时，也进行系统硬件设计的分析，对处理器模块的STM32控制器、人体红外监测模块的红外传感器、可见光强度监测模块的光敏电阻都进行了介绍，最后进行了系统的软件和硬件的调试。智慧教室照明监测系统有以下功能：当教室内无人的时候，不管教室内照明强度如何，灯光都将关闭；教室内有人时，如果教室内的光照较为昏暗，那么开灯补光；教室内有人时，如果教室内的光照较为强烈时，那么灯光关闭。这个设计满足了高校智慧照明的需求，用比较灵敏的传感器智能监测，能够实时、动态地判断人数和光照，实现对教室照明的智能控制，从而达到绿色节能的目标。