高校教室智慧灯控系统设计

杨晓玲 张新玥 杨建 刘伍一 张文

摘要：随着能源需求的日益增加，节能减排已成为重要工作之一。高校教室是人流量较大的地方，若照明节能控制不利，往往会造成资源的浪费。针对这一情况，文章设计了一款室内照明节能系统。该系统由红外对射式传感器、光线传感器和单片机组成，能依据光线的强弱、人数及人的位置对照明灯进行控制，还可通过密码或者人脸识别给予超级用户特殊权限对照明灯进行控制，从而达到节能的目的。

关键词：高校教室；智慧灯控；红外感应；光线感应；延时

中图分类号：TN91  文献标志码：A

0 引言

随着节能减排政策的不断深入以及碳达峰、碳中和战略目标的提出，节能减排工作意义重大。国家倡导使用绿色能源低碳照明，节约电能对于学校节约资金、可持续发展也有重要意义。我国现阶段高校能源管理浪费现象较为严重，比如在光线较为充足时，教室的灯是全亮的状态，或者在教室无人时，灯也会处于全开状态。这种情况不仅造成了资源浪费，同时也增加了学校的用电成本。中国教室照明标准一般按照《建筑节能标准》《学生卫生标准》等规定执行。在欧美等发达国家，教室照明的研究已经比较成熟，一般采用国际标准或自行制定的标准来规范教室照明。除了与中国类似的视觉和学习效果等因素以外，也更加注重照明系统对于学生健康和心理状态的影响，包括情绪、警觉度和生物节律等。当下大多数人的节能意识比较淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以察觉到灯光的存在，造成了白天长明灯、晚上无人也开灯、人少灯全开的浪费现象。因此，推广智慧灯控具有重大的意义。

1 系统设计方案及工作原理

1.1 智慧灯控系统设计方案

本文设计的教室智能灯控系统主要遵循以下几个原则。（1）节能原则：根据实际光照需求智能调节灯光亮度，避免不必要的能源浪费；（2）安全可靠原则：确保系统的稳定性和安全性，保障正常使用，防止事故发生；（3）智能感知原则：通过传感器感知环境光照、人体存在等信息，实时调节灯光状态；（4）人性化设计原则：考虑用户的需求和舒适度，提供方便操作的个性化设置功能。

1.2 系统工作原理

整个系统使用单片机进行主控制。首先，光传感器感应到光的强度后传送到单片机，再通过继电器对灯光进行控制；其次，红外对射式传感器感应到人的存在后，利用可控硅对灯光进行延时控制，管理人员可以通过人脸识别对灯光进行控制。具体的工作原理如图1所示。

2 硬件设计

2.1 主芯片STM32F407

STM32F4系列具有较高的性能和丰富的外设功能，适合大规模和复杂的智慧灯控系统。因此，本系统采用STM32F407型号的芯片，同时拥有多个通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）和通用输入输出（General-Purpose Input/Output，GPIO）等外设接口，适合连接传感器和执行器。STM32F407内部资源众多，其主要资源如下：（1）内核；（2）I/O口；（3）存储器；（4）时钟、复位和电源管理；（5）低功耗。

主芯片通过与外围部分的交互，实现对灯光以及其他附加功能（如延时等）的控制和管理。同时，主芯片也可以接收外围部分传感器获取的数据，并根据需要进行处理和决策，以实现智慧灯控系统的优化和智能化。

2.2 模块功能设计

2.2.1 光線传感器

光线传感器是一种可以检测光线强度的电子传感器，可以检测到周围环境的光照强度。它是一种常用的传感器，用于检测环境的光线，控制电子设备的开关，例如自动灯光、安全系统、自动窗帘等。

另外，光线传感器其实是根据光电效应的原理起作用的。光电效应指某些特殊的物质在吸收了光线后能够将光能转换为电能的现象，光电效应可以分为外光电效应和内光电效应2种。外光电效应指在光线照射下，电子能够从物质的内部向外发射而产生电力作用，光电管、光电倍增管都是基于外光电效应制成的原件。相应地，内光电效应则是发生在物质的内部，当光线照射到物质上时，使其内部的电阻率发生改变，从而产生了电动势。

照明系统中的光感应器，可以通过实验和调试来确定适合本地的光感强度阈值。一般来说，光感强度的单位是勒克斯（lx），可以根据环境光照情况和用户需求来选择合适的阈值。例如当光感强度低于某个阈值时（例如100 lx），灯光可以自动打开。此时环境光线较弱，感应器会向控制器发送信号，控制器根据预设的参数调节照明设备的亮度，使其增强；当光感强度高于另一个阈值时（例如500 lx），此时环境光线较强，控制器则会降低照明设备的亮度或者自动关闭，以节能和保护眼睛［1］。

2.2.2 红外对射式传感器

红外对射传感器通常由2个部分组成：发射器和接收器。发射器会发出一束红外光束，而接收器则会接收光束并将其转化为电信号。当有物体进入光束时，物体就会吸收或反射一部分光线，从而导致接收器中电信号发生变化。通过检测这些变化，就可以确定物体是否存在或移动［2］。

在人体进入了发射器发射的红外光束后，即使没有移动，人体的热量也会被红外感应捕捉，所以保证灯不会灭。当人体移动时，人体会吸收或反射一部分光线，据此可以检测出人是否在移动，或者移动到某个区域，从而整个系统可以更好地控制。

红外对射式传感器还有以下优点：（1）采用红外波段的射束，人视觉不可见，具有隐蔽性；（2）不存在盲区和死角；（3）良好的抗干扰特性；（4）严密的防破坏能力；（5）可全天候工作等。

2.2.3 可控硅电路

可控硅可以通过改变其导通角来控制交流电的导通时间，从而实现对灯光的控制。可控硅驱动电路用于接收主芯片的控制信号，通过调节可控硅的导通角来控制灯光的亮度和开关。正常情况下，可控硅处于关断状态，当施加一个触发脉冲到可控硅的控制端时，可控硅开始导通，并一直保持导通状态直到交流电的电流降至0，然后再次关断。通过控制触发脉冲的时刻，可以实现对灯光的开关和亮度调节。在智慧灯控系统中，可控硅的选择取决于所需的功率和控制方式［3］。

常见的可控硅型号有SCR（Silicon Controlled Rectifier）和TRIAC（Triode for Alternating Current）。对于低功率应用，TRIAC是一种常见的选择，适用于交流电控制。对于高功率应用，SCR是一种常见的选择，适用于直流或交流电控制。本系统采用的是TRIAC，此元器件可以更好地节能［4］。

2.2.4 555计时器/计数器

555延时电路的主要作用是实现对电路信号的延迟控制。当输入一个触发信号时，延时电路会在设定时间后再输出一个响应信号，从而实现延时控制功能。在实际应用中，555延时电路常用于控制各种设备的开关、闪烁、计时等操作。

555延时电路的工作原理如下：（1）输入一个触发信号，触发器反转并输出高电平信号；（2）555芯片内部比较器将电容放电，并与固定参考电压进行比较；（3）当电容电压降到1/3参考电压以下时，比较器输出低电平信号，触发器反转并输出低电平信号；（4）电容器继续放电，当电容电压降到2/3参考电压以下时，比较器又输出高电平信号，触发器再次反转，输出高电平信号，同时开始重新充电［5］。

根据以上工作原理，555延時电路可以实现不同的延时时间，从而满足不同应用场景的需要。在STM32F407中使用555计时器实现精准的延时功能，需要进行以下步骤。（1）配置GPIO引脚：将555计时器的触发引脚连接到单片机的一个GPIO引脚上；（2）配置计时器：选择一个定时器（如TIM2）并进行相应的配置。设置计时器的时钟源、预分频系数和计数模式等；（3）设定计时器的初值：根据所需的延时时间，计算出计时器的初始值，并将其赋给计时器的计数寄存器；（4）启动计时器：启动计时器开始计时。

2.2.5 人脸识别系统

人脸识别过程一般分为3步。首先，建立人脸的面像档案。即用摄像机采集人脸的面像文件或利用照片形成面像文件，并将这些面像文件生成面纹编码贮存起来；其次，获取当前的人体面像。即用摄像机捕捉当前出入人员的面像或取照片输入，并将当前的面像文件生成面纹编码；最后，用当前的面纹编码与档案库存比对。即将当前面像的面纹编码与档案库存中的面纹编码进行检索比对。

“面纹编码”方式是根据人脸部的本质特征来工作的。这种面纹编码可以抵抗光线、皮肤色调等的变化，具有强大的可靠性，从而可以从百万人中精确地辨认出某个人。

在智慧灯控系统中，管理者将自己的人脸通过摄像录入智慧灯控管理系统，计算机分析人脸图像并提取有效的识别信息，后将管理者的脸部特征保存在智慧灯控系统中。在应用的过程中，使用摄像头获取当前人物的面相特征，最后将当前捕获到的人像特征与之前存储的人脸数据档案进行对比，通过视频图像进行判断，检测画面中是否存在面部，如果检测到，则进一步给出每个主要面部器官的位置、大小和特征信息，基于该信息，进一步提取每个面部中包含的身份特征并与已存在的面部信息进行比较以验证访问者的身份。确认管理者的身份后，管理者可通过电子触屏自主控制智慧灯控系统，实现智慧灯控的定期检查和强制性的自主控制管理。

3 软件设计

单片机通过以下流程对灯光进行管理控制：设置光感初始值i=0（用来记录人数），人走完后i=0延时关灯。当i>0时，通过红外对射式传感器感应出人所在的位置，当人在该区域时，用时钟判断当时大概处于什么时间段，判断是否延时开灯，再根据感应光的强度，判断是否处于规定的阈值。若小于规定的阈值则控制灯光增加到适合的光强，若大于规定的阈值则不需要开灯。当人不在该区域时则延时关灯。软件流程设计如图2所示。

3.1 人脸识别

实现人脸识别的代码需要使用图像处理和机器学习算法，单片机STM32F407通常用于嵌入式系统，不适合直接实现复杂的人脸识别算法。因此，可以使用STM32F407与OpenCV库进行人脸检测。在使用STM32F407与OpenCV库进行人脸检测时，可以使用以下核心代码：

（1）初始化摄像头和OpenCV库。

// 初始化摄像头

Camera_Init（）;

// 初始化OpenCV库

cv：：CascadeClassifier face_cascade;

face_cascade.load（"haarcascade_frontalface_default.xml"）;

（2）实时获取摄像头图像并进行人脸检测。

while（true） {

// 获取摄像头图像

cv：：Mat frame = Camera_GetFrame（）;

// 灰度化处理

cv：：Mat gray;

cv：：cvtColor（frame， gray， cv：：COLOR_

BGR2GRAY）;

// 人脸检测

std：：vector faces;

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

// 绘制人脸框

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

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

}

// 显示图像

cv：：imshow（"Face Detection"， frame）;

// 等待按键退出

if （cv：：waitKey（1） == 27） {

break;

}

}

3.2 感应部分和延时部分

感应部分的实现方式取决于传感器类型和应用场景。常见的传感器包括红外传感器、光照传感器等。根据具体传感器的接口和协议，可以使用相应的库函数或驱动程序进行初始化和数据读取。其核心代码如下：

// 红外感应函数

void infraredSensing（）

{

// 在这里实现你的红外感应算法

}

// 光感函数

void lightSensing（）

{

// 在这里实现你的光感算法

}

延时代码包括：延时函数、设置计数器初值、设置计数器使能计时器、设置计时器的时钟分频系数等，具体数值根据实际情况进行编写。其核心代码如下：

// 延时函数

void delay（uint32_t milliseconds）

{

// 设置计时器初值

TIM2->CNT=0;

// 设置计时器使能计时器

TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 设置计时器的时钟分频系数

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

}

以上代码均为示例代码，具体数值需根据具体情况设定。

4 结语

此系统主要利用红外对射式传感器、光线传感器和单片机等技术实现校园智慧灯控系统的设计。通过对灯控系统的分析，本文提出并设计了一款基于智能感知技术的校园智慧灯控系统。该系统能够实现对校园灯光的自动调节和智能管理，提高能源利用效率和校园照明质量。

参考文獻

［1］陈照章，朱湘临.光电测速传感器及其信号调理电路［J］.传感器技术，2012 （8）：53-55.

［2］徐凤，张启.基于单片机控制下的红外线自动门控制系统设计研究［J］.四川职业技术学院学报，2020（2）：163-168.

［3］闫璞，王贵锋.基于单片机技术的室内照明光伏优化供电控制系统设计［J］.中国新技术新产品，2018 （2）：22-24.

［4］贾飞.单片机技术课程中项目教学法的应用案例［J］.张家口职业技术学院学报，2017 （3）：75-77.

［5］王巧兰.数字电子技术教学内容及方法的探讨［J］.科技创业月刊，2016 （12）：99-101.

（编辑 王雪芬编辑）

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