耗能型廣告智能節能控制器設計與實現

陳啟健，梁桃華

（成都職業技術學院，四川成都，610041）

1 概述

廣告是商家和廣大潛在客戶進行信息溝通的主要渠道，幾乎滲透在現代城市生活的每時每處，是工業革命后現代商業社會的重要組成部分。除了靜態印刷廣告，大部分是電能消耗型廣告，如可翻轉平面廣告、燈箱廣告、語音廣告和視頻廣告等。因而，廣告消耗的電能消耗巨大。電能供應卻越來越難以滿足人們日益增長的生產和生活需求，許多國家和地區出現了“電荒”或因為供電不足導致系統崩潰等問題。

目前，人們開始思考降低廣告的能耗。文獻[1]的研究內容是從廣告屏本身找到節能突破點。其缺陷是局限于基于LED 顯示屏的廣告牌，不能滿足所有戶外耗電廣告，如燈箱廣告、電腦顯示器和電視顯示器視頻廣告、語音廣播廣告、可翻轉平面廣告等都不能涵蓋。文獻[2]對燈箱廣告采取了節能措施。遺憾的是，該改進方法適用對象單一，僅僅局限于燈箱廣告。在能源日益寶貴的現代社會，如果能設計一種能普遍適用于電能廣告的節能控制器，將具有非常重要的現實意義。

2 節能控制方法探索及其系統實現

在保證廣告宣傳效果的基礎上，怎樣才可以降低廣告系統的電能消耗呢？現實是，室外用電廣告系統常常在沒人的時候，處于開啟狀態，導致白白消耗電能；或者是在有人路過的時候，處于關閉狀態，導致白白浪費廣告宣傳機會，降低了廣告宣傳效能，也是一種資源的浪費。針對這種情況，本文設計了一種能判斷是否有人存在或經過、從而判決并控制廣告開啟與關閉的智能控制器。

■2.1 節能控制方法

該控制器主要功能是，通過傳感器檢測是否有人在附近，或者有受眾路過廣告視距范圍，由此微控制器進行判決、控制廣告開啟與關閉。具體而言，當傳感器檢測到廣告受眾處在或者進入廣告屏幕視距范圍時，控制器控制廣告開啟，實施廣告傳播。當傳感器檢測到受眾不在場或者離開后，控制器關閉廣告屏或者廣告播放器。這樣，可以實現廣告精準傳播，保證了傳播效能不但不降低，反而得到提升[3]；同時又能有效節能。

■2.2 控制器定位

本控制器在廣告系統承擔核心決策控制功能，輔助以傳感器模塊和廣告播放模塊。通過對傳感器模塊提供的信息，本控制器決定播放模塊是否啟動。播放模塊收到指令后播放或關閉廣告。

■2.3 系統組成及設計

2.3.1 硬件組成

在硬件方面，該控制系統由微控制器及其最小系統、紅外檢測模塊、超聲波檢測模塊和廣告控制信號輸出電路等部分組成。系統以微控制器STM32F103C8 為核心，以人體感應傳感器組和距離傳感器組為主要傳感器，對廣告受眾情況進行信息采集和判斷，從而判決是否驅動廣告開啟。STM32F103C8 內置定時器具有輸入捕獲功能。

圖1 硬件組成框圖

2.3.2 遠距離移動受眾檢測與控制策略

遠距離傳感器可以探測數十米甚至數公里較遠距離判斷是否存在移動受眾。有超聲波、激光和微波等方式測量距離。傳感器不同，其探測距離、側重點和準確度也不一樣。本設計采用超聲波距離傳感器配合紅外傳感器，其優點是成本低、能耗小，缺點是探測方向性強。

圖2 超聲波檢測模塊電路示意圖

超聲波距離傳感器具有精度高、測距范圍較大且成本低等特點。本次使用的是HCSR04 超聲波模塊有4 根引腳，其中3 號引腳是觸發引腳TR，2 號引腳是反饋信號引腳Echo。其余兩引腳分別為電源和接地，根據其時序圖，首先控制器給觸發端TR 發一個脈寬不低于10μs 的脈沖信號進行測距觸發。而后超聲波傳感器發送出超聲波。當有超聲波被反射回來時，傳感器模塊就從Echo 端發出一段脈沖信號，其時間長度與測試距離成正比。

其中超聲波在空氣中的速度v ≈340 米/秒，t 為超聲波傳感器回響時間，即超聲波發送和發射回來的時間，超聲波經過的路程是距離的2 倍，所以距離公式里要除以2。

（1)捕獲回響信號的方案選擇

對于回響信號Echo 脈沖寬度測量，可以采用查詢電平方式、外部中斷方式和定時器輸入捕獲方式，由此可有三種方案。第一種方案是“電平掃描查詢+定時器計時”，采用while 語句循環掃描查詢Echo 端電平方式，檢測到上升沿跳變后，啟動定時器中斷來記錄定時器溢出次數，直到下降沿為止，可近似算出脈沖寬度時間。第二種方案是“外部中斷捕獲跳邊沿+定時器定時”。外部中斷替代上述方案一的跳變沿捕獲，其余相同。第三種方案是“定時器輸入捕獲”。這種方案通過定時器同時完成“跳變沿捕獲”和“計時”兩大功能。這種方案要求選擇STM32F1XX 的具有同時具有輸入捕獲中斷和定時器更新（溢出)中斷功能的定時器，如TIM1 或TIM8。這樣可以把同一個定時器既可以對超聲波輸出的Echo 信號進行上升沿下降沿檢測，還可以同時對高電平完成計時功能。比較而言，方案一編程簡單，但精度較低；方案二精度較高，但涉及資源多，編程復雜；方案三精度最高，編程難度適中。第三種方案要求定時器有輸入捕獲功能。本次設計嘗試過上述三種方案。鑒于篇幅，僅介紹第三種輸入捕獲方案。

（2)捕獲回響信號的硬件連接和引腳配置

由于要精確捕獲超聲波脈沖回響信號的上升沿和下降沿，所以與Echo 端子連接的微控制器引腳應具有外部中斷或者輸入捕獲功能。所采用芯片為STM32F103C8，該芯片內定時器除了TIM6 和TIM7 之外，其余都具有輸入捕獲功能（Input capture)。該功能基于定時器，可以對輸入信號的跳變進行捕獲。所以選擇能進行輸入捕獲的引腳PA10與Echo 相連。其初始化分為三大步驟：引腳GPIO 配置，定時器時基配置和定時器輸入捕獲配置。具體的，與Echo相連的引腳PA10 設置為輸入浮空模式：

初始化開啟定時器TIM1。初始化NVIC 時，選擇定時器更新中斷和輸入捕獲中斷：

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn|TIM1_CC_IRQn;

在結構體TIM_ICInitStructure 初始化中，非常關鍵的一步是選擇輸入捕獲通道TIM_Channel_3 映射到引腳PA10，并設置為雙邊沿觸發：

在初始化TIM1 的時候配置好定時器溢出中斷的重載值和預分頻值設置多少影響不大，可以預估時間數量級設置，本設計重載值選擇最大值65536-1。預分頻值為72-1。定時器TIM1 的重點是輸入捕獲設置，邊沿檢測選擇上升沿和下降沿都檢測。另一個需要注意的是，鑒于當Echo 信號結束時，輸入捕獲中斷要能打斷溢出中斷，所以輸入捕獲的優先級應高于定時器溢出中斷。初始化過程務必關閉（失能)溢出中斷和輸入捕獲中斷。

準備完成后，在主程序while(1)循環語句中調用自定義的觸發函數。觸發函數對TR 端先發出10ms 以上的矩形波觸發信號，緊接著開啟輸入捕獲中斷使能，并等待檢測結束。

捕獲中斷函數TIM1_CC_IRQHandler()啟動后，判斷是上升沿觸發，就使能溢出中斷開始計時，溢出后觸發中斷函數TIM1_UP_IRQHandler()。第二次觸發捕獲中斷函數后，立即失能溢出中斷，關閉計時。檢測結束后，計算檢測結果，完成一次檢測。定時器TIM 中斷要區分“定時器TIM 溢出中斷”和“定時器輸入捕獲中斷”功能，二者都編寫在同一段中斷函數程序里。根據超聲波回響信號特點，首先要在輸入捕獲初始化設置里配置為上升沿跳變中斷，即：

當Echo 端捕獲到上升沿跳變后，就開啟下降沿跳變判斷，并記錄溢出中斷的次數，直到檢測下降沿跳變。開啟下降沿跳變判斷的語句是：

其中變量N 根據所采用通道選擇1-4，定時器編號x根據所選定時器選擇1-5。檢測到下降沿后，只記錄計數器剩余值，并關閉定時器。測試時間采用定時器計時。定時器計時方式是：

其中，OF 是定時器溢出次數，ARR 是定時器自動重載周期，RM 是計時結束時定時器未溢出計數量，psc 為預分頻值，Tclk 為系統時鐘周期。根據超聲波距離傳感器需求，選擇了普通引腳PA11 與TR 相連，其設置為輸出推挽模式：

（3)遠距離移動受眾的超聲波檢測及其控制策略

通過超聲波傳感器檢測目標方向障礙物的距離。如果檢測到某個方向的距離變化超過了設定閾值，則表示有移動物體，視為有受眾，即可開啟廣告；若距離變化低于設定閾值，否則關閉廣告。為減少干擾，測距變化閾值大約0.5 米以上比較合適。所以本程序中，把距離傳感器測到的距離變化超過1 米，就可以判定為有移動受眾進入，從而可以較為準確地開啟廣告播放。不足的是，這種方式不能區分出動物。

2.3.3 近距離人體紅外檢測設計

本次設計中采用人體熱釋電紅外傳感器(PIR)模塊組進行人體判斷，其優點是成本低，沒有太強的方向性，所以范圍寬，但距離近。PIR 主要通過電平是否發生變化來判斷是否有受眾。PIR 檢測到人體發出紅外波后輸出高電平，觸發外部中斷。外部中斷程序的任務就是修改廣告開啟允許標志En 和延時時長t延時。注意PIR 有兩種觸發模式：不可重復觸發方式和重復觸發方式。前者在感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變為低電平；后者在感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。本次設置為重復觸發方式。熱釋電紅外檢測方式適合在室內、電梯內等環境下近距離判斷。

圖3 紅外檢測模塊電路示意圖

2.3.4 廣告控制輸出電路與開閉決策機制設計

（1)廣告控制信號輸出電路

由于耗電型廣告有燈箱廣告、可翻轉平面印刷廣告、點陣電子屏廣告和液晶顯示屏廣告等。所以不同廣告其控制電路大不相同。有的是輸出電源控制信號，有的輸出決策控制信號。本次設計面對燈箱廣告，輸出信號控制繼電器實現廣告燈的開啟或熄滅。

圖4 廣告控制信號輸出電路示意圖

（2)廣告開閉決策機制

由于廣告的開啟涉及多個傳感器影響。廣告開啟采用或邏輯，只要任意傳感器檢測到受眾后，都會修改廣告開啟允許標記En 為1，并修改延時值t延時為最大值（如30s)，從而開啟廣告并保持時長t延時。當受眾消失后，每個傳感器都會發出一個“允許關閉”的信號。而關閉則不能由某個傳感器單獨直接關閉廣告，是所有傳感器都發出“允許”關閉廣告指令后，才能關閉廣告。也就是進行與邏輯運算。

圖5 程序流程圖

（3)廣告保持時間的控制設計

廣告工作時間保持多久可以根據廣告所處室內外環境、人們活動頻度、播放設備是否適合頻繁啟動。比如廣告是戶外廣告，可以在很遠的地方看見，則可以保持久一些；在狹小的室內，則可以保持較短時間。白天行人多，可以保持久一些，晚上行人出現概率小，則保持短一些。開啟關閉會影響壽命的設備，其廣告時間可以保持久一些，如使用顯示器的視頻廣告則可以長一些，避免頻繁啟動機器；使用LED燈的燈箱廣告則不受限制。

■2.4 能耗及廣告宣傳性能分析

（1)節能方面，以每天t 小時播放的廣告為例，本控制器的能耗節省百分比例η為：

式中，P為廣告播放器消耗功率，ρ為廣告受眾出現的時間概率。可見，在人員出現越稀少的時間和地方，節能效果越明顯。

（2)廣告效果方面，根據廣告心理學，在受眾出現時，控制器突然播放廣告，能非常有效地引起受眾的注意，達到提高感官的沖擊力、避免感官麻木等效果。所以，突然打開的廣告不僅節省能耗，還可以提高廣告沖擊力。

（3)控制器對使用壽命有兩個相反的影響其一，播放時間的減少，能減少壽命折損；其二，頻繁啟動會降低敏感產品的使用壽命，如白熾燈、熒光燈等。所以，為了減少使用壽命損耗，可以控制在人員過于稀少時完全停止播放廣告。進一步地，用LED 燈替代白熾燈和熒光燈等。

3 小結

文中介紹的廣告節能控制器可根據受眾是否在場信息，提供廣告開啟或關閉決策信號，從而降低了能耗，并因為廣告的突然開啟提高了廣告沖擊力。該控制器能適用于幾乎所有耗電型廣告。結果表明，本控制器對于節省能耗、提高廣告的宣傳等效果明顯，對于能源日益緊缺的現代社會，以及建設低碳生活等國家戰略實現，具有重要意義。作為展望，本系統可以把傳感器端與主機通信設計出成無線通信，布局更加靈活；另外，把傳感器設置成圖像人工智能識別，將更加有效。