高校教室智慧照明系统的设计

胡波，张家伟，赵天威，赵伦，王美钧

（武昌工学院信息工程学院，湖北武汉，430000）

1 智慧照明系统总体设计

目前大多数高校对教室的管理宽松且开放，学生选择教室的随机性较大，教室内人员分散不定、教室内存在“长明灯”、“人少灯多”等普遍现象。针对以上情况，本系统设计时依据教室原有灯具安装位置，对教室进行分区域管理，划定6个区域，如图1所示。每个区域内安装传感器。可整体控制也可按区域单个控制灯具。

手机端可实时显示采集的人流信息，教室使用信息及灯具信息等。人性化的智慧照明系统，可在手机中预设三种模式：设置模式、课堂模式和自习照明模式，这三种模式可以随机切换，且操作便捷。以STM32F103VET6核心控制器组成的教室终端可以对教室内划分的6个区域的信息进行分析与判断，还可以控制单个光源的亮灭，是整个教室的光照等信息存储和室内终端控制器。

图1 区域管理图

2 智慧照明系统硬件设计

■2.1 STM32的主控制系统

STM32的主控制系统是智能教室系统的核心（见图2），通过发出控制信号，完成系统的信号处理、数据采集工作，并根据各个模块预定的功能，完成协调工作。传感器实现各种数据的采集，由ZigBee无线通信统传递给STM32的主控制系统，根据实际需求，主控制系统对采集的数据信息进行分析、并发出控制信号，控制执行单元做出相应的动作。

■2.2 数据采集模块设计

2.2.1 人员红外检测模块

人体辐射的红外能量被热释电人体红外线传感器检测到，从而实现对人员的识别。本设计中使用的是HC--SR501热释红外传感器，其优点是抗干扰能力强、感应人体的灵敏度高、体积小等特点。HC--SR501热释红外传感器有GND、VCC和OUT三个引脚，判断室内是否有人通过是读取OUT引脚为电平高电平还是低电平来实现，有人进入则该高电平信号会持续一段时间；HC--SR501热释红外传感器在人离开教室后，检测到的信号会延时一段时间，若无人进出则OUT引脚为低电平。热释电传感器模块有3～7m的感应距离，进行人体检测在这个感应距离范围内探测红外信号，感应后延时时间为0.5～300S。本系统设计时1号引脚接5V电源的正极，3号引脚接5V电源的负极，2号引脚接到STM32F103VET6的控制引脚（见图3）。

图2 主控制系统框图

图3 热释电红外传感器电路原理图

2.2.2 光照强度采集电路

光照强度采集电路用到的是TSL2561芯片，内置的积分式A/D能够将光照强度转换为数字信号。TSL2561芯片可通过编程设置允许的光强度上下限值，TSL2561芯片产生中断信号是实际光照度超过设置的允许光强度上下限值。TSL2561芯片内置光敏二极管和红外响应光敏二极管（即通道0和通道1），光敏电流通过内置的积分式A/D转换成数字信号输出。这个输出表示采集的光照强度。对TSL2561的控制是通过读写其内部的16个寄存器的来实现。支持I2C总线协议，TSL2561芯片为低功耗产品。照度检测硬件电路如图4所示。

图4 光照强度采集电路图

2.2.3 灯具运行状态检测电路

STM32的I/O口，用来实现对教室灯具运行状态信号的检测，通过检测高低电乎的变化来实现对灯具运行判断状态。

图5 灯具运行状态检测电路

■2.3 无线通讯模块设计

本设计中选用的ZigBee模块WLT2408NZ配合5dbi天线，可以实现500米的数据传输，即使在室内，也可以穿透2堵混凝土墙，实现楼宇内的组网传输。同时，极低的功耗可以实现有源定位标签，无线测温等应用。（TTL/RS232/RS485）串口三线连接，透明传输，快速完成电路设计。简单的外围电路，无需任何外围器件，模块内部已包含各种可靠性设计。使用WLT2408NZ模块可实现产品快速升级至物联网。由于内置路由协议算法，无需关心路由组网的问题，无需关注zigbee协议开发，支持各种网络结构，支持点对点P2P，多点对多点M2M，广播，主从S-M，无角色网状网Mesh等拓扑结构。支持zigbee协议深度定制开发。简单配置即可通讯。数字接口为UART，GPIO，AD。供电电压为1.9～3.3V。无线传输速率：250Kbps、500Kbps、1Mbps可选。功耗：发送峰值0.11W，接收功耗0.078W。休眠功耗： 定时唤醒模式72μW，深度定时唤醒模式1.8μW。支 持ZigBee/NB-IOT/Wi-Fi/Ethenet/2G/3G/4G/TTL/RS232/RS485/USB接口数据转化。WLT2408NZ是通过串口与主控制器连接而进行数据通信的。通过其数据发送RX引脚和数据接收TX引脚，与STM32主控制器上的RXD，TXD连接，从而进行系统数据的收发。

■2.4 LED照明模块电路设计

LED照明模块由LED驱动电路与继电器控制电路组成，用来实现对灯具开关的通断以及调光功能。LED驱动电路由SL6115芯片来实现连续电感电流导通模式的降压型LED恒流驱动器，用于驱动一个或多个LED 灯，工作电压从5.5V到60V，提供可调的输出电流，输出的最大电流能达到1.5A，效率高达96%，SL6115芯片内部的恒流电路对负载调整率和线性调整率起到较好的效果。滞环控制，无需环路补偿。功率开关内置在SL 6115芯片中，检测电路采用高端电流，以及模拟调光的调光脚DIM和兼容PWM。当调光脚的电压＜0.3V时，此时进入待机状态，输出为关断，过温保护电路内置在芯片中，以实现智能过温保护，进入智能过温保护是当SL6115芯片达到过温保护点，逐渐下降输出电流以提高系统可靠性，提高LED工作寿命。SL 6115 可在低压差工作时输出电流无过冲，SL6115进入极低工作电流的待机状态。继电器控制电路是用来控制驱动电路的通断，驱动电路则是直接控制LED灯具的亮度。

3 智慧照明系统软件设计

■3.1 主程序设计

根据需求设定教室照明模式，以便现教室灯具的自动照明与按需调光的功能。先通过传感器采集数据，然后对这些数据进行分析判断。主程序流程图如图6所示。主程序流程图的设计思路为：HC--SR501热释红外传感器的OUT引脚与ZigBee终端设备的输入/输出引脚相连，当OUT引脚输出高电平信号表示传感器检测到有人，输出是低电平信号则检测到无人。ZigBee终端节点将其产生的信号无线发送给协调器供STM32F103VET6核心控制器处理。

■3.2 数据采集模块设计

核心控制器STM32F103VET6对光照强度采集芯片TSL2561进行读写能够通过I2C总线协议。通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。写数据的过程是先发送的信号是地址，发送完后发送要传输的数据。光照强度采集芯片TSL2561的写操作的单位为字节、字或块（几个字）。过程如下：核心控制器STM32F103VET6先发送一组器件地址；然后发送写命令码，命令码是指定接下来写寄存器的地址00H～0FH和写寄存器的方式，最后发送要写的数据，按照对应的高字节与低字节。写寄存器的方式是根据前面命令码规定的内部写寄存器会自动加1是在数据发送完后。真实的光照值是由核心控制器STM32F103VET6读取的高字节与低字节合成。图7所示为照度采集流程。

图6 主流程图

4 结语

本文将ZigBee技术、嵌入式技术、传感器技术等与照明系统相结合，采用模块化设计方法。该系统依靠照度传感器、人体红外传感器等对教室的照度、使用状态、人员的数量及位置等信息进行自动采集，由ZigBee模块WLT2408NZ无线通信统传递给STM32的主控制系统，根据实际需求，主控制系统对采集的数据信息进行分析、并发出控制信号，控制执行单元做出相应的动作。该系统将对教室照明所耗能源有很大程度上的节约，高校能源的浪费上有很好的杜绝，使高校照明财政负担有很好的缓解。高校教室智慧照明系统实现后，在使用时可灵活的升级系统，系统整体结构性好。高校教室智慧照明系统能实现智能化管理，在管理过程中具有一定的人性化，该系统具有一定的抗干扰能力，稳定性较强，电路之间电磁干扰小，工作可靠，易操作的特点。

图7 TSL2561模块和单片机交互流程图