校园智能照明节约系统的设计与实现
作者: 赵鹏
摘要:教室是集教学、科研以及生活于一体的多功能区域,随着校园生活的日益丰富,用电需求也在逐渐上升。根据校园用电资源的调查资料,目前学校用电所占比例逐年增加,但由于传统的教室照明系统设计陈旧、能源浪费和舒适性差,致使“长明灯”“人走灯留”等现象十分普遍。为缓解校园用电紧张,提高教室照明用电效率,最大限度地节约照明电能资源浪费,校园智能照明节约系统的设计在用电节能上起到至关重要的作用,因此研究一种校园智能照明节约系统来避免不必要的资源浪费具有重要的意义。
关键词:智能教室;照明节约;系统
中图分类号:TP311 文献标识码:A文章编号:1009-3044(2023)28-0103-03
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520646 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。
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 Debug⁃ger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。
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。
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。
参考文献:
[1] 陈淑芳.红外传感器在智能教室照明控制中的应用[J].光源
与照明,2020(11):47-49.
[2] 宋璐,冯艳平,卫亚博.基于单片机的智能教室照明系统的设
计[J].电脑知识与技术,2019,15(4):253-254.
[3] 阮承治,饶金辉,俞晴,等.简易智能教室模拟照明控制器的
设计[J].武夷学院学报,2018,37(9):52-57.
[4] 高媛,陈乾,张越,等.集照明、供暖、风扇、心理效应于一体的
智能教室系统[J].智能建筑电气技术,2018,12(4):87-90.
[5] 郭扬,茹海涵,王逸凡,等.边缘计算模式下的智能照明系统
[J].电子世界,2021(15):110-113.
【通联编辑:代影】