基于物联网技术的教室节能系统研究

摘 要：针对教室电能浪费现象，设计了一套教室智能化节能控制系统，并且给出了系统详细的硬件和软件设计。系统能够根据教室所处的时间、教室内的人数以及光照度智能地控制灯具的开关。微控制器经过无线传输网络将教室内的数据信息发送到上位机，从而实现对教室使用情况的集中监控。系统结构简单、功能齐全。经过对系统的测试，系统能够稳定地运行，可以达到较好的节能效果。

关键词：STM32;节能控制;物联网;WiFi

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）03-0041-02

0 引言

目前社会上能源浪费的现象非常严重，尤其是作为培养未来建设者和接班人的学校，由于同学们的节能意思比较薄弱，自觉性不够强，校园里能源浪费现象非常普遍。比如在光线充足的教室里电灯全亮;空无一人的教室里电灯、空调等仍然全开等，造成了电能资源的严重浪费，这也与国家绿色低碳的发展理念相违背。目前，国内外已经有很多节能控制系统，这在一定程度上达到了节能的目的。例如，刘龙等[1]设计了一套基于STM32的教学楼智能化节能控制系统，通过检测教室内的光照度、人数和温度来控制照明灯具和电风扇的运行;刘付伟等[2]采用光照强度传感器以及对射式激光管，实现对教室中灯光自动开关以及人数的统计。但是以上系统存在节能不力、使用环境受限、节能控制措施不灵活等缺点。因此，设计一款节能效果良好、安装简单、使用方便、便于移动控制的智能节能系统具有重要的实际意义。

1 系统总体方案设计

系统的设计目标是根据教室所处的时间段、教室的人数以及光照强度灵活控制教室灯具开启的数量，以及开启哪些区域的灯具。为了实现上述目标，系统采用了灵活的控制模式，以满足教室的不同功用需求。控制模式分为两大类：自动模式和人工模式。自动模式又分为多媒体上课模式、板书上课模式和自习模式。具体流程如下：根据系统预先设定好的时间安排，如果当前处于上课时间，安装在讲台上方的人体红外探测器会检测讲台上是否有人，以此判断是否有老师上课。然后根据投影仪是否有电流输出，判断是采用的多媒体教学或板书教学。如果采用多媒体教学，系统会自动关闭讲台上的灯，以达到良好的投影效果。如果是板书教学，系统会开启讲台上的灯。如果当前不是上课时间，系统会根据检测到的人数自动判断开启哪些区域的灯具。如果教室人数为零，则关闭所有的灯。

在人工模式下，操作人员可以通过PC机或智能移动终端（手机、平板电脑等）来控制开启教室里哪些区域的灯具。系统不受时间、人数以及光照强度的限制。

系统采用的是控制中心集中控制和管理，教室照明控制器分散执行的策略。整个系统由安装在每个教室里的照明控制器，用于集中控制的上位机和智能移动终端，以及无线通讯网络组成。照明控制器采用STM32F103微控制器为核心，其作用是进行数据的采集和信号的处理，它由电源模块、复位电路、数据采集模块、通信模块以及执行模块等构成，结构如图1所示。

微控制器通过人数检测模块检测教室内的人数，通过光照度传感器检测教室内的光照情况，并依据这些数据判断是否需要开灯。如果需要开灯，开哪些区域的灯。同时这些数据会通过无线传输模块实时传送给上位机。

2 系统的硬件设计

2.1 光照度检测模块

光照度检测模块采用TAOS公司生产的TSL2561光照传感器，它具有高速度、量程宽、功耗低、可编程配置等特点。它能把光强度转化成数字信号作为微控制器的输入信号，并且拥有直接的I2C接口。

STM32微控制器通过I2C总线读写光照传感器的数据，因此系统的硬件接口的电路比较简单，如图2所示。

2.2 人体红外检测模块

系统通过人体红外检测模块来检测讲台上是否有人，从而判断目前教室是在讲课还是在自习。众所周知，人体能够产生9～11μm的红外线，当人体接近红外探测模块时，人体产生的红外线经过红外检测模块的滤波系统和放大系統到达热释电红外传感器，从而产生微弱的电信号，这个电信号经过放大、延迟、滤波之后传送给微控制器一个数字信号。

系统采用HN911L作为红外检测。HN911L是一种新型的热释电红外的检测电路。它使用双排的6脚直插式的封装方式，把灵敏度高的放大器、热释电红外传感器、信号处理、比较器、延时以及输出电路全都集中到一个芯片上，拥有控制信号的接收到信号输出的所有功能[3]。

红外检测模块的电路如图3所示，将红外检测模块的引脚3作为电源端，引脚6进行接地，引脚4与引脚5中间放了一个内部放大器的反馈电阻外接端子，并由闭环控制系统的反馈值控制增益大小，以便调节红外检测模块的灵敏度。

2.3 人数检测模块

系统中人数的检测使用在教室门口安装的对射式红外计数器来实现。为了区别学生的进出方向，使用两组发射头和两组接收头，将其发射端和接受端分置于门口两边，称之为红外M组和红外N组。当有人通过门口时，若先遮挡了红外M组的红外线，则产生一个脉冲信号，触发计数电路，这就说明这个人是进入教室的，教室内总人数要加一;与此相反时，计数器计算人数减一。人数检检测原理如图4所示。

2.4 无线通信模块

方案选取TK-ESP8266作为系统的无线通信模块。它一款高性能串口-无线模块，它板载ESP8266模块，通过串口和主控芯片通讯，内置TCP/IP栈协议，可以实现WiFi和串口之间的转换。它支持STA、AP和STA+AP三种模式，此外它还具有性能稳定、集成度高、低能耗等优点[4]。无线通信模块的电路如图5所示。

3 系统的软件设计

系统软件设计分为智能照明控制器部分和上位机及智能移动终端远程管理控制平台部分。智能照明控制器部分在RealView MDK平台下开发，上位机和智能移动终端的远程监控平台在Visual Studio 2017环境下开发。

智能照明控制器部分主要负责数据采集、通信和灯具的控制，其中包括光照度检测、人体红外检测、人数检测、继电器驱动控制、无线通信、显示和报警等功能。其流程图如图6所示。

上位机软件是管理人员对照明控制系统进行设置、控制和查询的可视化界面。通过上位机软件，管理人员可以对上课时间、楼层、教室、开灯的最低照度值等参数进行设置。通过上位机可视化界面，管理人员管理员可以查看每栋教学楼、每个教室的光照度值、有没有人、人数多少、上课状态还是自习状态等;还可查看教室内相关区域灯具的开关情况。此外，通过上位机可视化界面还可以集中把教室的灯具设备强制开启或关闭;可通过人工模式手动开启或关闭教室某些区域的灯具等。移动智能终端主要方便对教室照明的控制，它通过无线网络向上位机发出请求，然后由上位机对照明控制器发出命令，从而实现对教室灯具的控制。

4 结语

本文采用STM32作为微控制器，设计了一套教室智能化节能控制系统，并且给出了系统详细的硬件和软件设计。系统能够根据教室所处的时间、教室内的人数以及光照度智能地控制灯具的开关。微控制器通过无线传输网络将教室内的数据信息发送到上位机，从而实现对教室照明使用情况的集中监控。系统结构简单、功能齐全。经过对系统的测试，系统能够稳定地运行，可以达到较好的节能效果。

参考文献

[1] 刘龙，李钟慎.教学楼智能化节能控制系统设计[J].电子测量与仪器学报，2015，12（29）：1876-1881.

[2] 刘付伟，栾盈盈，李洋.基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器设计[J].电子技术，2013，25（1）：27-29.

[3] 吴爱萍.基于VB与单片机的温度测控系统设计[J].现代电子技术，2010（8）：208-210.

[4] 林一多，高德云.基于ARM的无线传感器网络MAC协议设计与实现[J].计算机应用，2010，30（5）：1145-1148.