教室照明節能和自巡檢系統的設計及應用

劉世同 田思琪 劉逸飛

摘要：教室照明節能和自巡檢系統由arduino單片機主控系統、熱釋電紅外傳感器、光敏傳感器、360度舵機構成。將檢測器固定于舵機上，在教室屋頂中央進行全方位旋轉掃描。根據對人體紅外線、光線的檢測結果，采用DBSCAN算法，得出人員較密集的區域，點亮該區域相應數量的燈具。若某處燈具出現故障，可以把其位置信息傳送到維護人員的手機上，方便及時維修。此外，本照明系統搭配有兩種照明模式（教師授課模式與學生自習模式），用來滿足不同的照明需求。

關鍵詞：DBSCAN算法;ardiuno單片機;熱釋電紅外傳感器;光敏傳感器;360度舵機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0128-02

0 引言

自巡檢系統適用于長時間工作運行的地方，教室內學生離開后不隨手關燈，白天光線十分充分卻沒有意識主動關燈的現象十分普遍，因此校園照明用電占據了總體用電的很大一部分。為積極響應國家節能減排的號召，針對此現象，本項目依據設定的開關閉合與關斷的條件，自主檢測教室中是否需要開燈，避免了資源因疏忽而導致的不必要損耗。

系統以學生自習照明模式為基本模式。當系統處于自習模式時舵機和檢測裝置開始運行，黑板燈關閉，前排燈與后排燈若符合其相應開關條件，則正常打開。而上課時手動選擇教師授課模式，黑板燈亮起，前排燈變暗，后排燈正常打開，舵機和檢測裝置停止運行。系統檢測一節課的時間過去后，自動恢復至自習模式。因此不會由于疏忽而使系統一直處于授課照明狀態，影響正常運行。系統可自動檢查燈具是否出現故障，發現后自動報警。將其位置發送至維修人員，便于維護。

1 系統設計方案

教室照明節能和自巡檢系統將傳統的固定式檢測轉換成360度旋轉檢測，實現全范圍無死角檢測，再將光敏傳感器采集的數據傳送的arduino核心板上，利用GSM＼GPRS短信電話模塊將系統出現的報警信息發送到用戶的手機端上，把數據部署在云端的賬號，實現數據的采集和報警推送。

目前，教室照明節能和自巡檢系統已經成功地運行，極大的提高了照明效率，并體現出智能化的特點。照明系統能夠實現對光線的有效調節，并能滿足人們對于照明的不同需求。

2 系統組成

2.1 紅外檢測教室內人員分布

人體輻射的紅外線中心波長為9～10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2～20μm范圍內幾乎穩定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7～10μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，因此我們采用熱釋電紅外傳感器來完成對人體紅外線的掃描。熱釋電紅外傳感器若接收到人體紅外信號，經內部芯片及外部電路進行放大與濾波等處理后把信息發送給主控系統，arduino按照接收到的高低電平按先后順序存入一個新的集合中以供下一步DBSCAN算法進行進一步處理，來控制相應部分的照明系統。

2.2 光敏電阻檢測教室亮度

采用光敏電阻傳感器完成對光線的檢測，當光照強度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓被轉換成可被采集器的數模轉換器接受的0～5V電壓，然后采集以適當的形式把結果保存下來。光敏電阻傳感器模塊在環境光線亮度達不到設定閾值時，DO端輸出高電平，當外界環境光線亮度超過設定閾值時，DO端輸出低電平。DO輸出端可以與單片機直接相連，編寫程序根據不同的光線強度完成光線條件對照明系統的控制。

2.3 關于DBSCAN算法

DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）是一種帶噪點的基于密度的聚類算法，DBSCAN將簇定義為密度相連的點的最大集合，能夠把具有足夠高密度的區域劃分為簇，并可在噪聲的空間數據庫中發現任意形狀的聚類。

對應到教室照明節能和自巡檢系統中即指在人群分散的教室中，把每個人看作一個不同的點，由密度可達關系導出的最大密度相連的樣本集合，即為我們最終聚類的一個類別，或者說一個簇。且簇是密度相連的集合，簇里面可以有一個或者多個核心對象。通過聚類算法把分散點分為幾個簇，簇的范圍之外的點作為噪點不做考慮，然后點亮簇中心位置上方附近的照明燈，即可達到合理分配能源的目的。對應到如果只有一個核心對象，則簇里其他的非核心對象樣本都在這個核心對象的鄰域里;如果有多個核心對象，則簇里的任意一個核心對象的鄰域中一定有一個其他的核心對象，否則這兩個核心對象無法密度可達，這些核心對象的鄰域里所有的樣本集合組成一個DBSCAN聚類簇，將得到的所有聚類簇放入一個新的集合中，供計算機處理使用。

由于教室內的人數、分布密度、分布形狀沒有定值，尋找這樣的簇樣本集合時，選擇DBSCAN算法有諸多優點：此算法不需要事先知道要形成的簇類的數量并可以發現任意形狀的簇類，十分適合用于人數隨機且變動較大的場所（上課時人員分布比較整齊，上自習時人員分布隨機），使用DBSCAN算法需任意選擇一個沒有類別的核心對象作為種子，然后找到所有這個核心對象能夠密度可達的樣本集合，即為一個聚類簇。接著繼續選擇另一個沒有類別的核心對象去尋找密度可達的樣本集合，這樣就得到另一個聚類簇（這樣的得到都肯定是密度相連的），一直運行到所有核心對象都有類別止。

3 結語

用于教室的節能照明系統，在國內的生產廠家還比較少，且現有的節能照明系統因廣泛采取固定式檢測，普遍存在判斷錯誤的問題：如教室足夠明亮卻沒有關燈，或教室很黑暗卻關了燈。這樣的照明系統并不能有效節約用電，也極易給學生的學習帶來不便。在國際上，雖然可能有少數國家的技術相比我國有一定的領先，但是在一些方面例如自巡檢功能上還是有一定程度的欠缺。因此我們在檢測系統中加入通信模塊，實現了人機交互，能夠把系統狀態、燈具損壞狀況發送到指定手機，可以在系統故障時及時通知技術人員進行檢修。通過本文的研究，希望能為智能照明領域提供參考，相信這一領域將具有更為廣闊的發展前景。