校园智能照明节约系统的设计与实现

赵 鹏

(1.江苏第二师范学院物理与信息工程学院，江苏南京 210000；2.江苏省基础教育大数据应用工程研究中心，江苏南京 210000)

0 前言

节电是我国长远发展的一项重大战略政策，造福于人民，造福于国家。节能，即能源的节电，可以减少整个国家的能源消耗，减少交通和能源的短缺，同时也可以减少国家对电力系统的投资，提高能源利用率，降低环境污染，符合绿色和可持续发展的趋势，有利于降低电力系统的负载能力，缓解电力紧缺的状况，对降低电网负荷容量、缓解供电紧张局面具有重要意义。因此，节约用电在资源紧缺的今天体现得尤为重要[1]。2022年，国务院办公厅印发了一份关于“节约型”“环保”和“高经济效益”的新型工业发展之路，将节约资源和减少能耗放在第一位，紧抓“不浪费、不合理”的原则，以提高资源的综合利用效率。

1 校园智能照明节约系统设计的需求现状

根据一所大学的实际调研，学校教学楼内安装了1000 盏40 W 的双管式荧光灯，每小时的总耗电为80度，按照0.5 元/千瓦时的标准，学校每小时的耗电成本为40元。一所学校一天的电费就高达640元，一所学校一般有8栋这样的教学楼，也就是说，仅教学楼的一天电费就要高达5 120 元。从另一个角度来看，如果在教室里每天节省2个小时的无用电量，则每天可以节省640元；按照这样简单计算，学校一年可以节省172 800 元的电费。这是一种纯粹的电力消耗，目前全国各大学总共有3013 所学校（教育部公布，截至2022年5月31日），因此，每年的电费浪费就高达520 646 400元，也就是说，全国高校在教室照明用电上至少浪费5亿元。

目前，智能节能照明的方法有两种：一是采用高效的电光源，二是采用更加高效的智能照明。而要保证照明的品质和降低能耗，最基本的方法就是提高照明设备的效率，也就是增加灯源和灯泡的亮度，在现有的照明灯具基础上，改进和优化照明控制，以达到节能的目标[2]。

教育部建议各学校建立节约型校园，为回应教育部的号召，不少大学都采取了节能措施。然而，一些学校对能源的充分利用还没有进行深入研究，还没有制定出一套行之有效的节能措施，因此结果并不显著。根据调查，学生们发现，如果只是使用电灯的话，并不会造成很大损失，但是由于教室里的照明设备数量太多，再加上灯光的持续时间比较长，所以教室里的照明设备所需要的电能占据了40%以上的电力，并且还在持续的增长之中。为了节省用电，降低校园用电，每个人都要有意识地去参与。为了实现节约能源，我们还应从其他方面着手，对大学校园内的智能照明控制系统进行研究和开发。本系统的开发和设计是为了适应现代电子技术的快速发展，采用多种新技术，解决了校园供电不足，实现了远程控制。而且，它的研究和设计也符合了现代电子技术的发展趋势，为以后的研究打下了坚实的基础，并在未来的工作中得到了进一步的发展[3]。

2 校园智能照明节约系统设计方案

为了实时统计进入教室内的人数，选用了两个红外对管进行检测，红外对管可以检测是否有人进入教室，同时确定进入教室的人数。为了方便统计人数，设计了一个最大计数99的计数器，统计的结果会同步显示在LCD屏上。为了更加人性化，屏幕上还设计了显示实时日期和时间[4]。

使用四个LED灯作为模拟教室内的灯光所在，并根据教室内的人数自动开启，教室内没有人时LED灯不亮，教室内人数少于十人点亮一盏灯，如果教室内的人数处于十到二十之间，第二盏灯就会打开，教室内人数大于二十人少于三十人时会打开第四盏灯，超过三十人时，所有的灯就都会被点亮。

系统设计了两种模式分别是：自动模式和手动模式。可以切换模式，切换方式通过按下切换按键切换，并且可以指示当前所在模式。

当处于自动模式时，可以设置一个时间段，当在所设置的时间段内，并且教室内有人的时候，光照强度不满足需要的时候会主动打开灯光，灯光点亮的数量会依据教室内人数而定，不在所设置的时间段内或教室没有人的情况下，关闭所有灯光。切换到手动模式时，可以通过手动开关控制灯光的亮灭，人数统计功能依然工作。

根据教室内的光照需求使用光敏电阻检测教室的光照强度。选用单片微型计算机STC89C52作为该照明系统的控制装置核心，同时外加多个外围电路组成，其中有5个主要电路：环境光采集电路：主要采用光明电阻进行设计；时钟电路：采用DS1302时钟芯片设计；热释红外传感电路：主要采用红外对管进行设计；LCD数码管显示电路：采用LCD1602进行设计；按键电路，如图1所示。

图1 总体设计思路

3 校园智能照明节约系统硬件设计

本系统由STM32F103c8t6 芯片、照明采集装置、红外线感应器、显示器、灯、键等组成。利用最小的计算机进行数据采集、处理、显示；照明采集设备根据教室内的光线强度来确定光照条件；红外线传感器通过红外线来检测教室内的人数，从而形成开、关的条件；显示模块可以完成工作方式、灯光亮度、教室人数等功能；按键式电路，可进行手动控制。

单片机芯片采用STM32F103c8t6 芯片，它有48根针，40根针在核心板上。而晶片管脚48个，晶片管脚40 个，晶体管的主要功能是输出管脚VCC、GND、控制管脚PAX、PBX、PCX等，另外，在按键电池的正电极上，还设有一个VBAT 引脚，用以在系统RTC 断电的条件下，使其能够继续工作。还有其他引脚需要连接相关运行电路，非可编程引脚，因此也不会从核心板上引出来。

STM32F103C8T6 的总体结构由ARM 的Cortex-M3、ST公司的总线矩阵、DMA(DMA)、AHB(AHB)、APB1、APB2(APB2)。Tortex-M3抛弃了普林斯顿（普林斯顿）冯.诺依曼结构，它使用了哈佛体系结构，将指令存储器与数据存储器分离，从而使Cortex-M3 具有32 比特的内部数据路径，32 比特寄存器和32 比特存储器接口，在读指令和数据后，MCU 的运算速度大大提高。

设计系统硬件时所用工具为Altium Designer 20，它的优点是功能齐全、专业的统一设计体系、高效的无压力环境、原生3D PCB编辑器。

4 系统环境搭建与软件设计

4.1 Keil5软件开发环境的配置

Keil 相比IAR 与ADS 最大的不同，也可以说是最大的特点，就是内置了丰富的样例程序，不需要了解系统是如何启动的，只需要在原来的基础上改一下，加入自己的代码就可以实现想要的功能。

环境搭建流程：芯片选择，在Keil5软件程序中打开目标选项，在Device一栏中选择STM32F103C8xu选项，然后OK确认，点击构建选项进行编译后出现工程结果错误。下载器型号选择，在目标选项一栏中，选择Debug一项，然后在Use一栏中选择ST-Link Debugger选项。下载器识别，下载器型号选择完毕后，点击Settings1，能够看到在SWDIO 一栏中出现序列号，则下载器识别成功。芯片容量选择，下载器识别成功后，选择Flash Download一栏。

4.2 软件程序整体实现过程

教室校园智能照明节约系统程序开始后，通过按键识别进行模式的更改调试以及系统时间、定时时间的设定。感光模式下，程序通过光敏电阻识别环境下的光照强度，分别在0～<1000、1000～<2000、2000～<3000 光照强度下进行LED 灯数量的增减，表示教室内灯光变化的过程。红外模式下，程序通过红外对管对进出教室人数进行测定，分别在教室内有人、教室内人数增加2人、教室内人数超过5人3种情况下进行LED 灯光数量的增减来调节教室内灯光的照度。定时模式下，程序首先通过按键识别对系统时间和定时时间进行调节，然后程序会根据系统时间与光照强度来调节LED 灯光亮起的数量。系统运行界面如图2所示。

图2 系统界面图

4.3 系统感光模式的实现

照度，即通过单位面积的光通量，反映了一个对象的表面在多大程度上被照明。每隔一段时间，通过一个区域的可见光就会被称为光通量，而光通量的大小就是lm，一个发光体的光通量越大，所发出的光就会越强烈。

系统模拟教室灯光，当光敏电阻接收到的光照强度达到3000 以上时，LED 灯不会亮起；当光照强度达到2000～<3000 时，灯组中的LED 小灯会亮起两个；当光照强度达到1000~<2000 时，LED 灯会亮起4 个；当光照强度为0～<1000 时，LED 全部亮起从而模仿教室灯光，根据自然环境光照强度引起的灯光亮度变化。

4.4 系统红外模式的实现

系统通过按键识别切换到红外模式，当红外对管以自下而上的方向一次出发时，系统程序判断教室内人数加1，LED小灯亮起；当教室人数达到3～4人时，灯组中的LED灯亮起数量增加为4个；当教室人数为5 人以上时，灯组中的LED 小灯全部亮起。当以自上而下的方向出发红外对管时，程序判定教室内人数减1，当教室内人数分别较少到3～4 人，1～2 人和无人的时候灯光依次会根据人数发生变化。

4.5 系统定时模式的实现

在定时模式下，系统通过晶振时间电路实现系统时间的控制和定时。首先通过按键，对时间系统进行调制，再根据系统时间设定合适的定时区间，当系统时间未达到定时开始时间时，无论系统环境光照强度为多少，都不会触发LED 灯亮起；当系统时间达到定时开始时间并且在定时区间内，系统会根据光敏电阻测出的光照强度亮起LED灯。

5 系统调试

初始状态系统人数设置为0，光强通过p2.0 口来进行控制，每当按下开关按钮时，就是模拟黑暗环境，电路板上的黑暗指示灯就会点亮。“内”“外”两个按钮则是用来模拟有人进出教室时的情况，同时显示屏会对应显示教室内的人数。当教室内有人且处于黑暗情况下教室内的灯光就会打开，图3是系统仿真图。

图3 系统仿真图

当系统初始化完成处在自动模式下，自动指示灯亮，通过按键模拟热释电红外检测模块，模拟当处在所设置的时间内并且教室光线黑暗，通过按下黑暗按钮模拟黑暗情况。教室内有11人时，照明系统在黑暗情况下自动点亮两盏照明灯。按下切换按钮时，系统切换到手动模式，手动指示灯亮。通过手动按下开关，打开照明灯，每按1下手动开关即打开一盏灯，按2 下则打开两盏，3 下即打开三盏灯，4 下就打开所有照明灯，再次按下即是关闭照明灯。此时人数统计依然工作[5]。

在标注了内外的红外对管处，用手指从外往内滑动，模拟有人进入教室的情况，先由外发射管发出辐射由外接收管接收，再经过内发射管和内接收管，此时人数加1，在液晶显示屏上显示。当处于黑暗情况并处于所设定好的开启时间内，根据教室内的人数12人自动开启两盏照明灯。将打火机靠近DS18B20 温度传感器，由于火焰的高温，温度发生变化，DS18B20将测量到的温度传送给单片机并处理显示在液晶显示屏上，可以看到温度由原来的30℃变为57℃。

6 结论

系统采用Altium Designer 对系统核心电路板中的各个重要模块进行设计，采用模块化编程设计，采用Keil开发软件STM32F1xx支持包对感光模式模块、红外模式模块、定时模式模块进行代码编程，通过智能教室照明，帮助智慧教室转型，实施更多的教室智能化。