基于手勢識(shí)別的教室燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘紀(jì)寧，蔡德勝，陸俊銘，王小虎

（湖南工學(xué)院智能制造與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

最近幾年，智能設(shè)備快速地應(yīng)用在了各行各業(yè)，人們對(duì)智慧照明的需求日益增加。其中包括對(duì)燈光色彩、光照強(qiáng)度、燈控系統(tǒng)安全性能的個(gè)性需求，也包括為滿足殘障人士對(duì)控制開關(guān)方式的便捷控制需求等[1-3]。同時(shí)，在當(dāng)前后疫情時(shí)代，公共場所接觸式燈控系統(tǒng)帶來了病菌傳播的極大風(fēng)險(xiǎn)。為了更科學(xué)、安全地滿足人們對(duì)智能生活辦公的需求，降低教室等公共場所人群不愛隨手關(guān)燈、造成能源的浪費(fèi)的問題，本文使用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，采用多種傳感器設(shè)計(jì)了一款非接觸式智能燈控系統(tǒng)。

1 燈控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源接口電路、LCD 顯示電路、人體紅外檢測電路、蜂鳴器電路、LED 控制電路、按鍵設(shè)置六大部分組成。

主控模塊為STM32F103C6T6，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與處理，其是一款32 位高性能微控制器單元，集成了72MHz 高性能ARM 內(nèi)核、高速嵌入式存儲(chǔ)器、多種增強(qiáng)型I/O 和外設(shè)[4-6]。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括了外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路。

HC-SR501 作為人體紅外檢測模塊，由BISS0001與熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件共同構(gòu)成，其將檢測到人體的信號(hào)傳輸給單片機(jī)。

LCD 顯示模塊是一種可以同時(shí)顯示16*2 即32 個(gè)字符的液晶顯示屏。CD1602 利用液晶的物理特性，通過電壓來控制液晶顯示器的顯示區(qū)域，在有電的情況下顯示相應(yīng)符號(hào)。本系統(tǒng)中，LCD 顯示模塊顯示實(shí)時(shí)光照的強(qiáng)度、手動(dòng)/自動(dòng)模式、是否檢測到人體以及人體離開計(jì)時(shí)。

LED 控制電路采用芯片L9110 驅(qū)動(dòng)。L9110 是一款雙通道工具，用于增強(qiáng) ASIC 推挽功率，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制和駕駛。該芯片具有兩個(gè)TTL/CMOS 兼容電平輸入，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

系統(tǒng)采用蜂鳴器用來提醒燈控系統(tǒng)模式切換，采用LED 臺(tái)燈模擬教室日光燈/LED 燈，進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出。在系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)中，將硬件電路與軟件設(shè)計(jì)相互結(jié)合起來，運(yùn)用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。智能燈控系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C 語言編寫，并按照模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)環(huán)境亮度的檢測程序、對(duì)感應(yīng)人體的檢測并處理的程序、按鍵控制燈光亮度的程序、顯示LCD 屏、蜂鳴器程序等。環(huán)境亮度的檢測主要流程是根據(jù)光敏電阻讀取阻值，通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將環(huán)境光亮度數(shù)據(jù)以百分比的形式自動(dòng)顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上。人體感應(yīng)的主要工作原理是通過HC-SR501 感應(yīng)人體，若檢測到人進(jìn)入感應(yīng)范圍，則向單片機(jī)輸入信號(hào)，并自動(dòng)顯示到LCD1602 液晶顯示屏上。手勢識(shí)別控制APDS-9960 由數(shù)據(jù)寄存器和通過串行接口訪問的命令寄存器進(jìn)行監(jiān)視和控制。程序主流程圖如圖2 所示。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程圖

3 智能燈控系統(tǒng)測試

硬件調(diào)試時(shí)，根據(jù)電路原理圖焊接出實(shí)物，再將程序燒錄到STM32F103C6T6 單片機(jī)中。電路系統(tǒng)實(shí)物如圖3 所示。調(diào)試步驟如下：

圖3 電路系統(tǒng)實(shí)物

測試自動(dòng)/手動(dòng)模式的切換、手動(dòng)控制燈光亮度以及蜂鳴器是否正常工作。按下按鍵1，燈光亮度降低，按下按鍵2，燈光亮度增加，按下按鍵3，切換當(dāng)前模式。測試自動(dòng)模式下人體感應(yīng)、計(jì)時(shí)是否正常以及LCD1602液晶顯示屏是否正常。無人靠近從0 開始計(jì)時(shí)，若有人靠近則計(jì)時(shí)清零且trig 為1。

測試手勢識(shí)別傳感模塊是否能正常檢測以及是否能隨手勢作出相應(yīng)反應(yīng)。若手勢為上下則切換模式，手動(dòng)模式下手勢為左右控制燈光亮度。

通過系統(tǒng)測試，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1.通過手勢識(shí)別手勢做出相應(yīng)反應(yīng)。

2.通過光敏電阻采集光照強(qiáng)度并智能適應(yīng)環(huán)境亮度。

3.通過人體紅外傳感器實(shí)現(xiàn)靠近臺(tái)燈時(shí)開啟臺(tái)燈，當(dāng)人離開時(shí)關(guān)燈。

4.通過LCD 液晶顯示屏顯示實(shí)時(shí)信息。

4 結(jié)論

系統(tǒng)以人體感應(yīng)燈裝置的工作原理為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)代傳感技術(shù)采集熱釋電，以環(huán)境光、人體存在等外界因素作為控制其的輸入?yún)?shù)，再通過單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行控制，達(dá)到燈控系統(tǒng)智能控制的目的。系統(tǒng)相比單一手動(dòng)控制燈光更合理，有效降低了教室燈光的資源費(fèi)用和接觸式燈控系統(tǒng)帶來的病菌傳播風(fēng)險(xiǎn)。智能教室燈控系統(tǒng)還有一些不足或改進(jìn)之處，如：手勢識(shí)別的范圍太固定，太遠(yuǎn)或太近或有物體干擾都會(huì)受到影響；加入語音識(shí)別等模塊可以使得其更方便。