高校教室智慧燈控系統設計

楊曉玲 張新玥 楊建 劉伍一 張文

摘要：隨著能源需求的日益增加，節能減排已成為重要工作之一。高校教室是人流量較大的地方，若照明節能控制不利，往往會造成資源的浪費。針對這一情況，文章設計了一款室內照明節能系統。該系統由紅外對射式傳感器、光線傳感器和單片機組成，能依據光線的強弱、人數及人的位置對照明燈進行控制，還可通過密碼或者人臉識別給予超級用戶特殊權限對照明燈進行控制，從而達到節能的目的。

關鍵詞：高校教室；智慧燈控；紅外感應；光線感應；延時

中圖分類號：TN91? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著節能減排政策的不斷深入以及碳達峰、碳中和戰略目標的提出，節能減排工作意義重大。國家倡導使用綠色能源低碳照明，節約電能對于學校節約資金、可持續發展也有重要意義。我國現階段高校能源管理浪費現象較為嚴重，比如在光線較為充足時，教室的燈是全亮的狀態，或者在教室無人時，燈也會處于全開狀態。這種情況不僅造成了資源浪費，同時也增加了學校的用電成本。中國教室照明標準一般按照《建筑節能標準》《學生衛生標準》等規定執行。在歐美等發達國家，教室照明的研究已經比較成熟，一般采用國際標準或自行制定的標準來規范教室照明。除了與中國類似的視覺和學習效果等因素以外，也更加注重照明系統對于學生健康和心理狀態的影響，包括情緒、警覺度和生物節律等。當下大多數人的節能意識比較淡薄，并且強光下人的眼睛對弱光不敏感，在自然光照大于燈具光照的情況下，難以察覺到燈光的存在，造成了白天長明燈、晚上無人也開燈、人少燈全開的浪費現象。因此，推廣智慧燈控具有重大的意義。

1 系統設計方案及工作原理

1.1 智慧燈控系統設計方案

本文設計的教室智能燈控系統主要遵循以下幾個原則。（1）節能原則：根據實際光照需求智能調節燈光亮度，避免不必要的能源浪費；（2）安全可靠原則：確保系統的穩定性和安全性，保障正常使用，防止事故發生；（3）智能感知原則：通過傳感器感知環境光照、人體存在等信息，實時調節燈光狀態；（4）人性化設計原則：考慮用戶的需求和舒適度，提供方便操作的個性化設置功能。

1.2 系統工作原理

整個系統使用單片機進行主控制。首先，光傳感器感應到光的強度后傳送到單片機，再通過繼電器對燈光進行控制；其次，紅外對射式傳感器感應到人的存在后，利用可控硅對燈光進行延時控制，管理人員可以通過人臉識別對燈光進行控制。具體的工作原理如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主芯片STM32F407

STM32F4系列具有較高的性能和豐富的外設功能，適合大規模和復雜的智慧燈控系統。因此，本系統采用STM32F407型號的芯片，同時擁有多個通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）和通用輸入輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）等外設接口，適合連接傳感器和執行器。STM32F407內部資源眾多，其主要資源如下：（1）內核；（2）I/O口；（3）存儲器；（4）時鐘、復位和電源管理；（5）低功耗。

主芯片通過與外圍部分的交互，實現對燈光以及其他附加功能（如延時等）的控制和管理。同時，主芯片也可以接收外圍部分傳感器獲取的數據，并根據需要進行處理和決策，以實現智慧燈控系統的優化和智能化。

2.2 模塊功能設計

2.2.1 光線傳感器

光線傳感器是一種可以檢測光線強度的電子傳感器，可以檢測到周圍環境的光照強度。它是一種常用的傳感器，用于檢測環境的光線，控制電子設備的開關，例如自動燈光、安全系統、自動窗簾等。

另外，光線傳感器其實是根據光電效應的原理起作用的。光電效應指某些特殊的物質在吸收了光線后能夠將光能轉換為電能的現象，光電效應可以分為外光電效應和內光電效應2種。外光電效應指在光線照射下，電子能夠從物質的內部向外發射而產生電力作用，光電管、光電倍增管都是基于外光電效應制成的原件。相應地，內光電效應則是發生在物質的內部，當光線照射到物質上時，使其內部的電阻率發生改變，從而產生了電動勢。

照明系統中的光感應器，可以通過實驗和調試來確定適合本地的光感強度閾值。一般來說，光感強度的單位是勒克斯（lx），可以根據環境光照情況和用戶需求來選擇合適的閾值。例如當光感強度低于某個閾值時（例如100 lx），燈光可以自動打開。此時環境光線較弱，感應器會向控制器發送信號，控制器根據預設的參數調節照明設備的亮度，使其增強；當光感強度高于另一個閾值時（例如500 lx），此時環境光線較強，控制器則會降低照明設備的亮度或者自動關閉，以節能和保護眼睛［1］。

2.2.2 紅外對射式傳感器

紅外對射傳感器通常由2個部分組成：發射器和接收器。發射器會發出一束紅外光束，而接收器則會接收光束并將其轉化為電信號。當有物體進入光束時，物體就會吸收或反射一部分光線，從而導致接收器中電信號發生變化。通過檢測這些變化，就可以確定物體是否存在或移動［2］。

在人體進入了發射器發射的紅外光束后，即使沒有移動，人體的熱量也會被紅外感應捕捉，所以保證燈不會滅。當人體移動時，人體會吸收或反射一部分光線，據此可以檢測出人是否在移動，或者移動到某個區域，從而整個系統可以更好地控制。

紅外對射式傳感器還有以下優點：（1）采用紅外波段的射束，人視覺不可見，具有隱蔽性；（2）不存在盲區和死角；（3）良好的抗干擾特性；（4）嚴密的防破壞能力；（5）可全天候工作等。

2.2.3 可控硅電路

可控硅可以通過改變其導通角來控制交流電的導通時間，從而實現對燈光的控制。可控硅驅動電路用于接收主芯片的控制信號，通過調節可控硅的導通角來控制燈光的亮度和開關。正常情況下，可控硅處于關斷狀態，當施加一個觸發脈沖到可控硅的控制端時，可控硅開始導通，并一直保持導通狀態直到交流電的電流降至0，然后再次關斷。通過控制觸發脈沖的時刻，可以實現對燈光的開關和亮度調節。在智慧燈控系統中，可控硅的選擇取決于所需的功率和控制方式［3］。

常見的可控硅型號有SCR（Silicon Controlled Rectifier）和TRIAC（Triode for Alternating Current）。對于低功率應用，TRIAC是一種常見的選擇，適用于交流電控制。對于高功率應用，SCR是一種常見的選擇，適用于直流或交流電控制。本系統采用的是TRIAC，此元器件可以更好地節能［4］。

2.2.4 555計時器/計數器

555延時電路的主要作用是實現對電路信號的延遲控制。當輸入一個觸發信號時，延時電路會在設定時間后再輸出一個響應信號，從而實現延時控制功能。在實際應用中，555延時電路常用于控制各種設備的開關、閃爍、計時等操作。

555延時電路的工作原理如下：（1）輸入一個觸發信號，觸發器反轉并輸出高電平信號；（2）555芯片內部比較器將電容放電，并與固定參考電壓進行比較；（3）當電容電壓降到1/3參考電壓以下時，比較器輸出低電平信號，觸發器反轉并輸出低電平信號；（4）電容器繼續放電，當電容電壓降到2/3參考電壓以下時，比較器又輸出高電平信號，觸發器再次反轉，輸出高電平信號，同時開始重新充電［5］。

根據以上工作原理，555延時電路可以實現不同的延時時間，從而滿足不同應用場景的需要。在STM32F407中使用555計時器實現精準的延時功能，需要進行以下步驟。（1）配置GPIO引腳：將555計時器的觸發引腳連接到單片機的一個GPIO引腳上；（2）配置計時器：選擇一個定時器（如TIM2）并進行相應的配置。設置計時器的時鐘源、預分頻系數和計數模式等；（3）設定計時器的初值：根據所需的延時時間，計算出計時器的初始值，并將其賦給計時器的計數寄存器；（4）啟動計時器：啟動計時器開始計時。

2.2.5 人臉識別系統

人臉識別過程一般分為3步。首先，建立人臉的面像檔案。即用攝像機采集人臉的面像文件或利用照片形成面像文件，并將這些面像文件生成面紋編碼貯存起來；其次，獲取當前的人體面像。即用攝像機捕捉當前出入人員的面像或取照片輸入，并將當前的面像文件生成面紋編碼；最后，用當前的面紋編碼與檔案庫存比對。即將當前面像的面紋編碼與檔案庫存中的面紋編碼進行檢索比對。

“面紋編碼”方式是根據人臉部的本質特征來工作的。這種面紋編碼可以抵抗光線、皮膚色調等的變化，具有強大的可靠性，從而可以從百萬人中精確地辨認出某個人。

在智慧燈控系統中，管理者將自己的人臉通過攝像錄入智慧燈控管理系統，計算機分析人臉圖像并提取有效的識別信息，后將管理者的臉部特征保存在智慧燈控系統中。在應用的過程中，使用攝像頭獲取當前人物的面相特征，最后將當前捕獲到的人像特征與之前存儲的人臉數據檔案進行對比，通過視頻圖像進行判斷，檢測畫面中是否存在面部，如果檢測到，則進一步給出每個主要面部器官的位置、大小和特征信息，基于該信息，進一步提取每個面部中包含的身份特征并與已存在的面部信息進行比較以驗證訪問者的身份。確認管理者的身份后，管理者可通過電子觸屏自主控制智慧燈控系統，實現智慧燈控的定期檢查和強制性的自主控制管理。

3 軟件設計

單片機通過以下流程對燈光進行管理控制：設置光感初始值i=0（用來記錄人數），人走完后i=0延時關燈。當i>0時，通過紅外對射式傳感器感應出人所在的位置，當人在該區域時，用時鐘判斷當時大概處于什么時間段，判斷是否延時開燈，再根據感應光的強度，判斷是否處于規定的閾值。若小于規定的閾值則控制燈光增加到適合的光強，若大于規定的閾值則不需要開燈。當人不在該區域時則延時關燈。軟件流程設計如圖2所示。

3.1 人臉識別

實現人臉識別的代碼需要使用圖像處理和機器學習算法，單片機STM32F407通常用于嵌入式系統，不適合直接實現復雜的人臉識別算法。因此，可以使用STM32F407與OpenCV庫進行人臉檢測。在使用STM32F407與OpenCV庫進行人臉檢測時，可以使用以下核心代碼：

（1）初始化攝像頭和OpenCV庫。

// 初始化攝像頭

Camera_Init（）;

// 初始化OpenCV庫

cv：：CascadeClassifier face_cascade;

face_cascade.load（"haarcascade_frontalface_default.xml"）;

（2）實時獲取攝像頭圖像并進行人臉檢測。

while（true） {

// 獲取攝像頭圖像

cv：：Mat frame = Camera_GetFrame（）;

// 灰度化處理

cv：：Mat gray;

cv：：cvtColor（frame， gray， cv：：COLOR_

BGR2GRAY）;

// 人臉檢測

std：：vector faces;

face_cascade.detectMultiScale（gray， faces， 1.1， 2， 0|cv：：CASCADE_SCALE_IMAGE， cv：：Size（30， 30））;

// 繪制人臉框

for （size_t i = 0; i < faces.size（）; i++） {

cv：：rectangle（frame， faces［i］， cv：：Scalar（0， 255， 0）， 2）;

}

// 顯示圖像

cv：：imshow（"Face Detection"， frame）;

// 等待按鍵退出

if （cv：：waitKey（1） == 27） {

break;

}

}

3.2 感應部分和延時部分

感應部分的實現方式取決于傳感器類型和應用場景。常見的傳感器包括紅外傳感器、光照傳感器等。根據具體傳感器的接口和協議，可以使用相應的庫函數或驅動程序進行初始化和數據讀取。其核心代碼如下：

// 紅外感應函數

void infraredSensing（）

{

// 在這里實現你的紅外感應算法

}

// 光感函數

void lightSensing（）

{

// 在這里實現你的光感算法

}

延時代碼包括：延時函數、設置計數器初值、設置計數器使能計時器、設置計時器的時鐘分頻系數等，具體數值根據實際情況進行編寫。其核心代碼如下：

// 延時函數

void delay（uint32_t milliseconds）

{

// 設置計時器初值

TIM2->CNT=0;

// 設置計時器使能計時器

TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 設置計時器的時鐘分頻系數

TIM2->PSC = （SystemCoreClock / 1000）-1;

}

以上代碼均為示例代碼，具體數值需根據具體情況設定。

4 結語

此系統主要利用紅外對射式傳感器、光線傳感器和單片機等技術實現校園智慧燈控系統的設計。通過對燈控系統的分析，本文提出并設計了一款基于智能感知技術的校園智慧燈控系統。該系統能夠實現對校園燈光的自動調節和智能管理，提高能源利用效率和校園照明質量。

參考文獻

［1］陳照章，朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調理電路［J］.傳感器技術，2012 （8）：53-55.

［2］徐鳳，張啟.基于單片機控制下的紅外線自動門控制系統設計研究［J］.四川職業技術學院學報，2020（2）：163-168.

［3］閆璞，王貴鋒.基于單片機技術的室內照明光伏優化供電控制系統設計［J］.中國新技術新產品，2018 （2）：22-24.

［4］賈飛.單片機技術課程中項目教學法的應用案例［J］.張家口職業技術學院學報，2017 （3）：75-77.

［5］王巧蘭.數字電子技術教學內容及方法的探討［J］.科技創業月刊，2016 （12）：99-101.

（編輯 王雪芬編輯）

Design of intelligent lamp control system in college classroom

Yang? Xiaoling， Zhang? Xinyue， Yang? Jian， Liu? Wuyi， Zhang? Wen*

（School of Physics and Electronic Information Engineering， Neijiang Normal University， Neijiang 641000， China）

Abstract：? With the increasing energy demand， energy conservation and emission reduction has become an essential thing in peoples life. The classrooms of colleges and universities are places with large flow of people， and the energy saving control of lighting is unfavorable， which often causes the waste of resources. In view of this situation， an indoor lighting energy saving system is proposed and designed， which is composed of infrared sensor， light sensor and microcontroller. It can control the lighting according to the strength of the light， the number of people and the position of the people， but also through the password or face recognition to give super users special permission to control the lighting， so as to achieve the purpose of energy saving.

Key words： university classroom; intelligent light control; infrared sensing；light-sensing; time-delay