高校教室智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙靜

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東松山，512123）

0 引言

目前市場上的教室智能控制類型可分為區(qū)域控制型、點控制型和網(wǎng)絡(luò)控制型,但是功能過于單一,成本較為昂貴；大部分產(chǎn)品僅通過人體紅外傳感器判斷教室是否有人，只對教室電燈采取智能化設(shè)計,并沒有從教室的溫度、濕度以及光線等多方面考慮，因此系統(tǒng)整體設(shè)計并不完美，還存在很大的欠缺。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一小部分高校教室僅僅在教室內(nèi)或在教室的入口處安裝紅外探頭，只要該教室內(nèi)有人且不滿足閱讀光線時，燈光就會全部開啟，如果這個教室只有一個人，就會造成很大的電力浪費，不符合當(dāng)前倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保。因此需要重點研究教室智能化控制系統(tǒng)，整體提高教室管理水平，為教師和學(xué)生營造舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整體系統(tǒng)通過人體紅外傳感器、溫度傳感器、雨滴傳感器和光敏傳感器采集信號，傳輸給單片機(jī)主控芯片進(jìn)一步處理,再由單片機(jī)輸出分別對燈光、電扇、空調(diào)、窗戶和顯示屏的控制，實現(xiàn)真正的教室智能化。本系統(tǒng)對光線亮度、環(huán)境溫濕度、教室人數(shù)和課堂時間等因素都一一分析。本系統(tǒng)達(dá)到以下幾點要求：

（1）能根據(jù)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)和學(xué)生坐的位置自動開啟相應(yīng)的電燈數(shù)目；教室無人時，自動關(guān)閉全部電燈。

（2）能根據(jù)教室內(nèi)溫度高低，自動開啟或關(guān)閉相應(yīng)的電扇、窗戶和空調(diào)。

（3）能夠根據(jù)教室內(nèi)光線強弱，自動調(diào)整燈光的亮度。

（4）能夠根據(jù)教室外濕度情況，自動開啟或關(guān)閉窗戶。

（5）能夠在顯示屏上顯示當(dāng)前教室內(nèi)人數(shù)、上課班級、任課教師等信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 整體系統(tǒng)圖

2 硬件電路設(shè)計

■2.1 人體信號檢測模塊

2.1.1 學(xué)生人數(shù)檢測

為了統(tǒng)計進(jìn)出教室的人數(shù)，在前門和后門口都安裝兩個熱釋電紅外傳感器PIR，一個安裝在門檻外面，一個安裝在門檻里面[1]。當(dāng)有學(xué)生無論從前門還是后門進(jìn)入教室，都會先觸發(fā)門檻外面的傳感器，再觸發(fā)門檻里面的傳感器，此時人體紅外檢測傳感器產(chǎn)生一個高電平脈沖，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，設(shè)置計數(shù)器加1；若教室沒有學(xué)生出入，則熱釋電紅外傳感器PIR 處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)處于等待狀態(tài)；當(dāng)有學(xué)生無論從前門還是后門走去教室，首先觸發(fā)門檻里面的傳感器，然后再觸發(fā)門檻外面的傳感器，則熱釋電紅外傳感器PIR 處于高電平狀態(tài)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，設(shè)置計數(shù)器便減1[2]。由此可以較為精確地統(tǒng)計教室內(nèi)的人數(shù)。

2.1.2 教室區(qū)域的劃分

考慮到綠色節(jié)能環(huán)保,把整個教室劃分為5 個區(qū)域,分為教師講臺1 個區(qū)域和學(xué)生學(xué)習(xí)4 個區(qū)域,如圖2 所示。傳感器PIR 分別安裝在距離地面2.0-2.2 米高的墻面上，且遠(yuǎn)離空調(diào)或窗戶等空氣溫度變化敏感的地方。雖不能精確地探測出每個區(qū)域人數(shù)的多少,但可以檢測出每個區(qū)域是否有人，因此開啟或者關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的燈光，以達(dá)到節(jié)能的目的[3]。

圖2 教室區(qū)域劃分圖

2.1.3 人體信號檢測原理

人體具有穩(wěn)定的體溫，能發(fā)出一定波長的紅外線，紅外探頭主要依據(jù)人體發(fā)射的紅外線進(jìn)行檢測是否有人。人體發(fā)射的紅外線經(jīng)過菲泥爾濾光片加強后聚焦到紅外感應(yīng)源上[4]。紅外感應(yīng)源一般使用熱釋電元件，當(dāng)它探測到人體紅外輻射溫度變化ΔT 時，則引起電荷量變化ΔQ，因而引起電流的變化，在兩電極間便會出現(xiàn)電壓變化量ΔV，再進(jìn)一步對小信號放大處理；當(dāng)傳感器接收到周圍環(huán)境溫度變化量為零時，則傳感器電壓輸出為零[5]。

■2.2 溫度檢測模塊

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器僅有一個數(shù)據(jù)輸入輸出口，主要優(yōu)點是線路連接簡單、體積相對較小等方面，所以選它來搭建測溫模塊，而且在一根通信線上實現(xiàn)多個溫度傳感器的連接，非常容易地檢測教室的溫度[6]，溫度檢測模塊如圖3 所示。在夏季時，當(dāng)檢測教室有人且溫度高于26℃，相應(yīng)區(qū)域的風(fēng)扇先自動開啟，若5 分鐘后溫度沒有下降到26℃，則需要關(guān)閉窗戶，打開空調(diào)，進(jìn)一步降溫，使教室涼爽起來；在春、夏、秋的交替季節(jié)，系統(tǒng)設(shè)置只開啟風(fēng)扇，關(guān)閉空調(diào)。因為考慮到每年季節(jié)變化的時候，總會有大批的學(xué)生出現(xiàn)感冒癥狀，為了使教室保持空氣流通，此時選擇只開啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫。由于風(fēng)扇和空調(diào)都是采用220V 交流電源，但是主控芯片輸出電壓較小，以至于不能直接控制用電器的開與關(guān)，所以利用單片機(jī)控制繼電器實現(xiàn)對用電器的開啟或關(guān)閉。

圖3 溫度檢測模塊圖

■2.3 雨滴檢測模塊

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生上完課后，匆匆?guī)x開教室，很少有同學(xué)主動拉上窗戶，為了防止下雨把機(jī)房教室的電腦、實訓(xùn)教室的設(shè)備或者普通教室的課桌淋壞，在窗戶周邊安裝了雨滴傳感器。當(dāng)雨滴落到感應(yīng)板上時，感應(yīng)板的電阻便會發(fā)生變化，通過串聯(lián)電阻分壓原理可以檢測到感應(yīng)板輸出電壓的變化。選用寬電壓的LM393 電壓比較器，感應(yīng)板接在K1端口處，出現(xiàn)雨滴時感應(yīng)板的電阻值會發(fā)生變化，并與電阻R1 串聯(lián)轉(zhuǎn)換成電壓信號傳遞給LM393 芯片的同相輸入端INA+，雨滴檢測模塊如圖4 所示。LM393 芯片的兩個輸入端電壓相互對比，若輸入端INA+電壓大于INA-基準(zhǔn)電壓時，則輸出端OUTA 是1，否則輸出是0[7]，OUTA 端與單片機(jī)AD 口相連接，進(jìn)一步檢測雨量大小，并根據(jù)單片機(jī)指令自動關(guān)閉窗戶，保護(hù)教室桌椅，減少學(xué)校損失[8]。

圖4 雨滴檢測模塊圖

■2.4 光信號調(diào)節(jié)模塊

利用光敏電阻采集外界光照信號，由ADC0832 芯片實現(xiàn)模數(shù)信號的轉(zhuǎn)換，再通過單片機(jī)芯片調(diào)節(jié)PWM 占空比的工作方式進(jìn)行調(diào)光，最終滿足學(xué)生學(xué)習(xí)時需要的燈光條件，實現(xiàn)自動調(diào)光功能，達(dá)到理想的效果。光控模塊如圖5 所示,R8 為光敏電阻,光敏電阻阻值大小與光線強弱成反比例關(guān)系，即光線越強時，電阻便越小；光線越弱時，電阻便越大。從圖中可以看出電阻R8 和R7 是串聯(lián)連接形式,將光敏電阻R8 分得的電壓值送入到 ADC0832 芯片的CH0 端口中，將連續(xù)的模擬電壓信號經(jīng)過抽樣、量化和編碼為離散的數(shù)字信號，方便主控芯片進(jìn)一步處理。

圖5 光控模塊圖

PWM 是調(diào)節(jié)燈光亮度的關(guān)鍵，運用PWM 波改變電燈正向?qū)娏鞯臅r間長短，實現(xiàn)燈光亮度變化，即在單位時間內(nèi)，通過PWM 反復(fù)導(dǎo)通和斷開實現(xiàn)電燈燈光亮度的調(diào)節(jié)，因此電燈會出現(xiàn)時亮?xí)r暗的閃爍情況。利用人們眼睛對燈光閃爍不夠敏銳這一特點，若1 秒內(nèi)燈光閃爍的速度大于100次，則人們所看到的是燈光亮度不斷在增強或減弱，所以在一個PWM 周期中，電流導(dǎo)通所占的總時間越長，人們覺得電燈越亮，否則越暗，并不是電燈一直在閃爍[9]。

■2.5 電燈、電扇和空調(diào)驅(qū)動模塊

由于電燈、電扇和空調(diào)都是采用220V 交流電源，主控芯片輸出電壓較小，不能直接控制用電器的開與關(guān)，所以利用單片機(jī)的P1.7 口控制繼電器實現(xiàn)對電燈、電扇和空調(diào)的開啟或關(guān)閉。以電燈為例，燈光驅(qū)動模塊如圖6 所示。

圖6 燈光驅(qū)動模塊

■2.6 LED 顯示模塊

LED 顯示模塊選用貼片式燈珠顯示屏，相比傳統(tǒng)的LED 式燈珠顯示屏，它具有較低功耗、高亮度、壽命長和組裝方便等優(yōu)點。根據(jù)教學(xué)需求，選擇一定的組合方式作為顯示屏，安裝在黑板上方合適區(qū)域，其主要顯示室內(nèi)人數(shù)、溫度和時間等信息的滾動式顯示，方便教師對班級人數(shù)的考勤。

■2.7 時鐘模塊

時鐘電路模塊主要用來對整個系統(tǒng)提供時間服務(wù)，時鐘芯片選用 DS1302 芯片與單片機(jī)的P1.0、P1.1 和P1.2 相連接，采用SPI 總線方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，時鐘模塊圖如圖7 所示。

圖7 時鐘模塊圖

■2.8 電源模塊

電源模塊的作用是把220V 的交流電依次經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓電路后輸出一定范圍的直流電，為各種傳感器和單片機(jī)提供正常的工作電壓。220V 交流電先經(jīng)過T1 降壓變壓器，把高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓交流電；再經(jīng)過四個二極管搭建而成的整流橋，把低壓交流電轉(zhuǎn)換為脈動低壓直流電；再通過電容C1，濾除掉一部分交流分量；再通過LM317 組成的可調(diào)穩(wěn)壓電路，根據(jù)調(diào)節(jié)R1、R2 阻值大小改變輸出電壓值Vo=1.25(1+R2/R1)[10]。電源模塊如圖8 所示。

圖8 電源模塊圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用單片機(jī)C語言編程，主要通過人體紅外傳感器、溫度傳感器、雨滴傳感器和光敏電阻等完成信號的采集，實現(xiàn)教室內(nèi)燈光、電扇、空調(diào)和窗戶的自動控制。如圖9 主程序設(shè)計流程圖所示。

圖9 主程序設(shè)計流程圖

4 結(jié)論

通過對教室燈光分區(qū)域管理,利用熱釋電紅外傳感器檢測每個區(qū)域是否有人，并結(jié)合光敏傳感器判斷當(dāng)前光線情況進(jìn)一步確認(rèn)是否需要開燈，減少電能的浪費；通過對室內(nèi)外環(huán)境智能感知，使電燈、電扇、空調(diào)和窗戶協(xié)調(diào)工作，保證好學(xué)習(xí)環(huán)境。目前學(xué)校教室智能化建設(shè)是必不可少的，利用嵌入式技術(shù)信息化管理平臺，幫助學(xué)校提高電力使用效率，減少電費開支，使教師和學(xué)生的工作學(xué)習(xí)環(huán)境變得更加明亮舒適，真正實現(xiàn)智能化控制，達(dá)到方便、節(jié)能、環(huán)保的目的。