基于物联网的教室灯光节能控制系统

天津职业技术师范大学电子工程学院 张 野 王 翔 李陈红 房佳辰

0 引言

现在学校教室、图书馆等场所普遍存在“长明灯”现象以及空调、风扇常开，造成费电的现象。为了解决此现象，提出采用STC单片机设计，将教室分为几个区域，每个区内装有人体存在探测器，探测区域内是否有人当光强不足时，采集相应参数，进行整理分析，通过串行口传送到WIFI模块，最终呈现在网页上。此方案效果较好，可以对教室的灯进行分区控制，避免在光照不足，人数不多时开启过多的灯，造成浪费现象，是较好的节能方法。

1 系统总体构成

1.1 系统的总体设计

本文设计的教室智能灯设计是以单片机作为教室检测控制单元的核心控制器，对教室进行分区域控制。整个设计使用电力串口来接通电源，保证只要在220V正常供电的情况下就能工作。系统在各区域内分别安装光传感器和人体感应传感器，实现对室内光强及人员流动情况的监控。并把数据返回到各个分区的单片机进行整理，再传到一个总的单片机，在这个单片机内把各分区单片机内的数据综合，再由WIFI模块上传到网页上进行监控。总体设计如图1：

图1 系统总体设计图

此系统设计既考虑到不同区域的人员流动又考虑到区域之间的光照亮度的不同，按照不同区域分区管理使各个区域之间可以得到较好的安排。又不浪费资源，在最大的限度下使资源得到最好的利用。为了更好说明，本系统对教室分为4个区域。

1.2 区域的划分

教室的节能控制仅做到“人来灯开，人走灯灭”是远远不够的；只要有人进入教室就打开教室中所有的灯，教室中无人再关闭所有的灯，虽然也起到了一定的作用，但是也会造成资源浪费和我们节能的观念不符。我们根据不同时段光照进教室的角度不同划分不同区域。

另外，我们知道高校教室除了要供学生上课，还要具有供学生自习使用的功能。特别在学生自习的时候，教室内的人员流动性很大。这种使用状况也同样要求我们将教室分为不同区域管理。另外，由于光频转换器和红外热释电传感器的探测区域是以器件本身为圆心，以探测距离为半径的圆形区域，所以我们要计算好每个光频转换器和红外热释电传感器的覆盖距离，以避免有没有被覆盖到的区域。

2 硬件关键电路设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要是由光频转换器和红外热释电传感器负责采集，热释电红外传感器由三部分组成，分别是敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜。当有人在透镜前运动，人体辐射的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的可见区和盲区，采集人体中散发的热量并以电流的形式表现出来。采用热释电红外传感器探测内是否有人，如果某探测区域内有人存在，则对应的热释电红外传感器检测到人体辐射出的红外线，产生微弱的电流，电流经过IC电路转换为电压信号并加以放大，再输入给单片机进行处理。如若人离开，则红外传感器的下一个周期检测不到人体，将断开节能灯回路，从而实现了节能与智能的效果。

光电传感器内部核心元件是光敏电阻，光敏电阻的光电效应是其光照越强，电阻越小，从而输出不同大小的电流，在通过运放，将小电流转换为电压并放大，输入给单片机。然后再通过单片机来控制节能灯的光照强度。

2.2 电力串口模块

系统供电后正常工作，为适应我国电网一般为220V，采用电力串口模块把个区域的单片机检测模块组合联系起来，使系统一接至主控单片机上。

2.3 wifi模块

设计中采用ESP8266实现数据同步上传网页的功能。ESP8266是一款超低功耗UART-WIFI透传模块，它一共有22个管脚，其管脚分布与连接示意如图2所示，使用ESP8266模块和主控单片机中的串口进行数据通讯，由单片机所整理的数据传送到网页上得到可实时观测的数据。ESP8266拥有业内及富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计。传输的可靠性好，最大传输速率为：460800bps，可以很好地完成把数据上传网页的任务。

图2 ESP8266管脚分布与连接示意图

3 系统软件设计

系统软件程序流程是由系统的工作过程决定的。设计准确合理的流程图直接关系到整个系统的软件编写是否准确合理，因为软件是根据流程图来写出来的。因此设计是否可以成功，系统能否按照预期完成相应的工作，都取决于是否有一个合理准确的工作流程。

3.1 端点单片机

为了应用于教室中不同的情况，系统采用多模式控制，其主要模式为手动模式和自动模式。自动模式又有使用投影仪时的投影模式，当教室学生静止时自习的自习模式。在系统的工作时间内采用自动模式，反之，可手动控制。端点单片机主要流程图如图3：

图3 端点单片机流程图

3.2 主控单片机

机智云平台推出WIFI代码自动生成服务。云端会根据产品定义的数据点生成对应产品的设备端代码。自动生成的代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑，并封装成了简单的API，且提供了多种平台的实例代码。开发者只需要在对应的事件处理逻辑中添加传感器的控制函数，就可以完成产品的开发。主控单片机流程图如图4：

图4 主控单片机流程图

3.3 监控界面APP

为了进一步降低开发者的开发难度，机智云推出了APP开源框架。在框架中，已经模块化集成了适合开发者项目需求中需要做的逻辑处理。包括用户部分（用户注册、找回密码、用户登录）；配置设备入网；设备发现；消息推送。APP开源框架将各个模块独立成包，开发者如果想了解其中某一个模块的实现代码与流程，直接参考框架代码即可。

4 实验数据及分析

当1区域和3区域无人， 2区域和4区域有人时，使用机智云进行实地测试得到如下的实验数据。图5是教室灯光的APP界面设计原型图与手机监控。

图5 教室灯光的APP界面设计原型图与手机监控

5 结束语

本文从教室节能的角度出发，结合单片机技术和控制技术，构筑了一个基于单片机的动态智能照明系统，提高了教室资源的能源利用效率，减少了电能资源的浪费，达到高效教室资源节能降耗技术升级建设改造目的。本系统的设计理念积极响应了我国倡导的建设资源节约型社会的畅想。

[1]张云莉,周晓平,朱双霞.基于单片机的教室节能控制系统设计研究[J].制造业制动化,2012,2(下):34-2.

[2]周瑶.高校教室灯光节能控制系统的设计[D].2010.

[3]陈林辉,安成辉,刘小军,李志军.可检测静态人体的节能控制系统设计[J].科技创新与应用,2016,5.