耗能型广告智能节能控制器设计与实现

陈启健，梁桃华

（成都职业技术学院，四川成都，610041）

1 概述

广告是商家和广大潜在客户进行信息沟通的主要渠道，几乎渗透在现代城市生活的每时每处，是工业革命后现代商业社会的重要组成部分。除了静态印刷广告，大部分是电能消耗型广告，如可翻转平面广告、灯箱广告、语音广告和视频广告等。因而，广告消耗的电能消耗巨大。电能供应却越来越难以满足人们日益增长的生产和生活需求，许多国家和地区出现了“电荒”或因为供电不足导致系统崩溃等问题。

目前，人们开始思考降低广告的能耗。文献[1]的研究内容是从广告屏本身找到节能突破点。其缺陷是局限于基于LED 显示屏的广告牌，不能满足所有户外耗电广告，如灯箱广告、电脑显示器和电视显示器视频广告、语音广播广告、可翻转平面广告等都不能涵盖。文献[2]对灯箱广告采取了节能措施。遗憾的是，该改进方法适用对象单一，仅仅局限于灯箱广告。在能源日益宝贵的现代社会，如果能设计一种能普遍适用于电能广告的节能控制器，将具有非常重要的现实意义。

2 节能控制方法探索及其系统实现

在保证广告宣传效果的基础上，怎样才可以降低广告系统的电能消耗呢？现实是，室外用电广告系统常常在没人的时候，处于开启状态，导致白白消耗电能；或者是在有人路过的时候，处于关闭状态，导致白白浪费广告宣传机会，降低了广告宣传效能，也是一种资源的浪费。针对这种情况，本文设计了一种能判断是否有人存在或经过、从而判决并控制广告开启与关闭的智能控制器。

■2.1 节能控制方法

该控制器主要功能是，通过传感器检测是否有人在附近，或者有受众路过广告视距范围，由此微控制器进行判决、控制广告开启与关闭。具体而言，当传感器检测到广告受众处在或者进入广告屏幕视距范围时，控制器控制广告开启，实施广告传播。当传感器检测到受众不在场或者离开后，控制器关闭广告屏或者广告播放器。这样，可以实现广告精准传播，保证了传播效能不但不降低，反而得到提升[3]；同时又能有效节能。

■2.2 控制器定位

本控制器在广告系统承担核心决策控制功能，辅助以传感器模块和广告播放模块。通过对传感器模块提供的信息，本控制器决定播放模块是否启动。播放模块收到指令后播放或关闭广告。

■2.3 系统组成及设计

2.3.1 硬件组成

在硬件方面，该控制系统由微控制器及其最小系统、红外检测模块、超声波检测模块和广告控制信号输出电路等部分组成。系统以微控制器STM32F103C8 为核心，以人体感应传感器组和距离传感器组为主要传感器，对广告受众情况进行信息采集和判断，从而判决是否驱动广告开启。STM32F103C8 内置定时器具有输入捕获功能。

图1 硬件组成框图

2.3.2 远距离移动受众检测与控制策略

远距离传感器可以探测数十米甚至数公里较远距离判断是否存在移动受众。有超声波、激光和微波等方式测量距离。传感器不同，其探测距离、侧重点和准确度也不一样。本设计采用超声波距离传感器配合红外传感器，其优点是成本低、能耗小，缺点是探测方向性强。

图2 超声波检测模块电路示意图

超声波距离传感器具有精度高、测距范围较大且成本低等特点。本次使用的是HCSR04 超声波模块有4 根引脚，其中3 号引脚是触发引脚TR，2 号引脚是反馈信号引脚Echo。其余两引脚分别为电源和接地，根据其时序图，首先控制器给触发端TR 发一个脉宽不低于10μs 的脉冲信号进行测距触发。而后超声波传感器发送出超声波。当有超声波被反射回来时，传感器模块就从Echo 端发出一段脉冲信号，其时间长度与测试距离成正比。

其中超声波在空气中的速度v ≈340 米/秒，t 为超声波传感器回响时间，即超声波发送和发射回来的时间，超声波经过的路程是距离的2 倍，所以距离公式里要除以2。

（1)捕获回响信号的方案选择

对于回响信号Echo 脉冲宽度测量，可以采用查询电平方式、外部中断方式和定时器输入捕获方式，由此可有三种方案。第一种方案是“电平扫描查询+定时器计时”，采用while 语句循环扫描查询Echo 端电平方式，检测到上升沿跳变后，启动定时器中断来记录定时器溢出次数，直到下降沿为止，可近似算出脉冲宽度时间。第二种方案是“外部中断捕获跳边沿+定时器定时”。外部中断替代上述方案一的跳变沿捕获，其余相同。第三种方案是“定时器输入捕获”。这种方案通过定时器同时完成“跳变沿捕获”和“计时”两大功能。这种方案要求选择STM32F1XX 的具有同时具有输入捕获中断和定时器更新（溢出)中断功能的定时器，如TIM1 或TIM8。这样可以把同一个定时器既可以对超声波输出的Echo 信号进行上升沿下降沿检测，还可以同时对高电平完成计时功能。比较而言，方案一编程简单，但精度较低；方案二精度较高，但涉及资源多，编程复杂；方案三精度最高，编程难度适中。第三种方案要求定时器有输入捕获功能。本次设计尝试过上述三种方案。鉴于篇幅，仅介绍第三种输入捕获方案。

（2)捕获回响信号的硬件连接和引脚配置

由于要精确捕获超声波脉冲回响信号的上升沿和下降沿，所以与Echo 端子连接的微控制器引脚应具有外部中断或者输入捕获功能。所采用芯片为STM32F103C8，该芯片内定时器除了TIM6 和TIM7 之外，其余都具有输入捕获功能（Input capture)。该功能基于定时器，可以对输入信号的跳变进行捕获。所以选择能进行输入捕获的引脚PA10与Echo 相连。其初始化分为三大步骤：引脚GPIO 配置，定时器时基配置和定时器输入捕获配置。具体的，与Echo相连的引脚PA10 设置为输入浮空模式：

初始化开启定时器TIM1。初始化NVIC 时，选择定时器更新中断和输入捕获中断：

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM1_UP_IRQn|TIM1_CC_IRQn;

在结构体TIM_ICInitStructure 初始化中，非常关键的一步是选择输入捕获通道TIM_Channel_3 映射到引脚PA10，并设置为双边沿触发：

在初始化TIM1 的时候配置好定时器溢出中断的重载值和预分频值设置多少影响不大，可以预估时间数量级设置，本设计重载值选择最大值65536-1。预分频值为72-1。定时器TIM1 的重点是输入捕获设置，边沿检测选择上升沿和下降沿都检测。另一个需要注意的是，鉴于当Echo 信号结束时，输入捕获中断要能打断溢出中断，所以输入捕获的优先级应高于定时器溢出中断。初始化过程务必关闭（失能)溢出中断和输入捕获中断。

准备完成后，在主程序while(1)循环语句中调用自定义的触发函数。触发函数对TR 端先发出10ms 以上的矩形波触发信号，紧接着开启输入捕获中断使能，并等待检测结束。

捕获中断函数TIM1_CC_IRQHandler()启动后，判断是上升沿触发，就使能溢出中断开始计时，溢出后触发中断函数TIM1_UP_IRQHandler()。第二次触发捕获中断函数后，立即失能溢出中断，关闭计时。检测结束后，计算检测结果，完成一次检测。定时器TIM 中断要区分“定时器TIM 溢出中断”和“定时器输入捕获中断”功能，二者都编写在同一段中断函数程序里。根据超声波回响信号特点，首先要在输入捕获初始化设置里配置为上升沿跳变中断，即：

当Echo 端捕获到上升沿跳变后，就开启下降沿跳变判断，并记录溢出中断的次数，直到检测下降沿跳变。开启下降沿跳变判断的语句是：

其中变量N 根据所采用通道选择1-4，定时器编号x根据所选定时器选择1-5。检测到下降沿后，只记录计数器剩余值，并关闭定时器。测试时间采用定时器计时。定时器计时方式是：

其中，OF 是定时器溢出次数，ARR 是定时器自动重载周期，RM 是计时结束时定时器未溢出计数量，psc 为预分频值，Tclk 为系统时钟周期。根据超声波距离传感器需求，选择了普通引脚PA11 与TR 相连，其设置为输出推挽模式：

（3)远距离移动受众的超声波检测及其控制策略

通过超声波传感器检测目标方向障碍物的距离。如果检测到某个方向的距离变化超过了设定阈值，则表示有移动物体，视为有受众，即可开启广告；若距离变化低于设定阈值，否则关闭广告。为减少干扰，测距变化阈值大约0.5 米以上比较合适。所以本程序中，把距离传感器测到的距离变化超过1 米，就可以判定为有移动受众进入，从而可以较为准确地开启广告播放。不足的是，这种方式不能区分出动物。

2.3.3 近距离人体红外检测设计

本次设计中采用人体热释电红外传感器(PIR)模块组进行人体判断，其优点是成本低，没有太强的方向性，所以范围宽，但距离近。PIR 主要通过电平是否发生变化来判断是否有受众。PIR 检测到人体发出红外波后输出高电平，触发外部中断。外部中断程序的任务就是修改广告开启允许标志En 和延时时长t延时。注意PIR 有两种触发模式：不可重复触发方式和重复触发方式。前者在感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平；后者在感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。本次设置为重复触发方式。热释电红外检测方式适合在室内、电梯内等环境下近距离判断。

图3 红外检测模块电路示意图

2.3.4 广告控制输出电路与开闭决策机制设计

（1)广告控制信号输出电路

由于耗电型广告有灯箱广告、可翻转平面印刷广告、点阵电子屏广告和液晶显示屏广告等。所以不同广告其控制电路大不相同。有的是输出电源控制信号，有的输出决策控制信号。本次设计面对灯箱广告，输出信号控制继电器实现广告灯的开启或熄灭。

图4 广告控制信号输出电路示意图

（2)广告开闭决策机制

由于广告的开启涉及多个传感器影响。广告开启采用或逻辑，只要任意传感器检测到受众后，都会修改广告开启允许标记En 为1，并修改延时值t延时为最大值（如30s)，从而开启广告并保持时长t延时。当受众消失后，每个传感器都会发出一个“允许关闭”的信号。而关闭则不能由某个传感器单独直接关闭广告，是所有传感器都发出“允许”关闭广告指令后，才能关闭广告。也就是进行与逻辑运算。

图5 程序流程图

（3)广告保持时间的控制设计

广告工作时间保持多久可以根据广告所处室内外环境、人们活动频度、播放设备是否适合频繁启动。比如广告是户外广告，可以在很远的地方看见，则可以保持久一些；在狭小的室内，则可以保持较短时间。白天行人多，可以保持久一些，晚上行人出现概率小，则保持短一些。开启关闭会影响寿命的设备，其广告时间可以保持久一些，如使用显示器的视频广告则可以长一些，避免频繁启动机器；使用LED灯的灯箱广告则不受限制。

■2.4 能耗及广告宣传性能分析

（1)节能方面，以每天t 小时播放的广告为例，本控制器的能耗节省百分比例η为：

式中，P为广告播放器消耗功率，ρ为广告受众出现的时间概率。可见，在人员出现越稀少的时间和地方，节能效果越明显。

（2)广告效果方面，根据广告心理学，在受众出现时，控制器突然播放广告，能非常有效地引起受众的注意，达到提高感官的冲击力、避免感官麻木等效果。所以，突然打开的广告不仅节省能耗，还可以提高广告冲击力。

（3)控制器对使用寿命有两个相反的影响其一，播放时间的减少，能减少寿命折损；其二，频繁启动会降低敏感产品的使用寿命，如白炽灯、荧光灯等。所以，为了减少使用寿命损耗，可以控制在人员过于稀少时完全停止播放广告。进一步地，用LED 灯替代白炽灯和荧光灯等。

3 小结

文中介绍的广告节能控制器可根据受众是否在场信息，提供广告开启或关闭决策信号，从而降低了能耗，并因为广告的突然开启提高了广告冲击力。该控制器能适用于几乎所有耗电型广告。结果表明，本控制器对于节省能耗、提高广告的宣传等效果明显，对于能源日益紧缺的现代社会，以及建设低碳生活等国家战略实现，具有重要意义。作为展望，本系统可以把传感器端与主机通信设计出成无线通信，布局更加灵活；另外，把传感器设置成图像人工智能识别，将更加有效。