高校教室智能控制系统的设计

赵静

（广东松山职业技术学院，广东松山，512123）

0 引言

目前市场上的教室智能控制类型可分为区域控制型、点控制型和网络控制型,但是功能过于单一,成本较为昂贵；大部分产品仅通过人体红外传感器判断教室是否有人，只对教室电灯采取智能化设计,并没有从教室的温度、湿度以及光线等多方面考虑，因此系统整体设计并不完美，还存在很大的欠缺。经调查发现，一小部分高校教室仅仅在教室内或在教室的入口处安装红外探头，只要该教室内有人且不满足阅读光线时，灯光就会全部开启，如果这个教室只有一个人，就会造成很大的电力浪费，不符合当前倡导的节能环保。因此需要重点研究教室智能化控制系统，整体提高教室管理水平，为教师和学生营造舒适的学习环境。

1 系统设计

整体系统通过人体红外传感器、温度传感器、雨滴传感器和光敏传感器采集信号，传输给单片机主控芯片进一步处理,再由单片机输出分别对灯光、电扇、空调、窗户和显示屏的控制，实现真正的教室智能化。本系统对光线亮度、环境温湿度、教室人数和课堂时间等因素都一一分析。本系统达到以下几点要求：

（1）能根据教室内学生人数和学生坐的位置自动开启相应的电灯数目；教室无人时，自动关闭全部电灯。

（2）能根据教室内温度高低，自动开启或关闭相应的电扇、窗户和空调。

（3）能够根据教室内光线强弱，自动调整灯光的亮度。

（4）能够根据教室外湿度情况，自动开启或关闭窗户。

（5）能够在显示屏上显示当前教室内人数、上课班级、任课教师等信息。系统结构框图如图1 所示。

图1 整体系统图

2 硬件电路设计

■2.1 人体信号检测模块

2.1.1 学生人数检测

为了统计进出教室的人数，在前门和后门口都安装两个热释电红外传感器PIR，一个安装在门槛外面，一个安装在门槛里面[1]。当有学生无论从前门还是后门进入教室，都会先触发门槛外面的传感器，再触发门槛里面的传感器，此时人体红外检测传感器产生一个高电平脉冲，单片机产生中断，设置计数器加1；若教室没有学生出入，则热释电红外传感器PIR 处于低电平状态，单片机处于等待状态；当有学生无论从前门还是后门走去教室，首先触发门槛里面的传感器，然后再触发门槛外面的传感器，则热释电红外传感器PIR 处于高电平状态，单片机产生中断，设置计数器便减1[2]。由此可以较为精确地统计教室内的人数。

2.1.2 教室区域的划分

考虑到绿色节能环保,把整个教室划分为5 个区域,分为教师讲台1 个区域和学生学习4 个区域,如图2 所示。传感器PIR 分别安装在距离地面2.0-2.2 米高的墙面上，且远离空调或窗户等空气温度变化敏感的地方。虽不能精确地探测出每个区域人数的多少,但可以检测出每个区域是否有人，因此开启或者关闭相应区域的灯光，以达到节能的目的[3]。

图2 教室区域划分图

2.1.3 人体信号检测原理

人体具有稳定的体温，能发出一定波长的红外线，红外探头主要依据人体发射的红外线进行检测是否有人。人体发射的红外线经过菲泥尔滤光片加强后聚焦到红外感应源上[4]。红外感应源一般使用热释电元件，当它探测到人体红外辐射温度变化ΔT 时，则引起电荷量变化ΔQ，因而引起电流的变化，在两电极间便会出现电压变化量ΔV，再进一步对小信号放大处理；当传感器接收到周围环境温度变化量为零时，则传感器电压输出为零[5]。

■2.2 温度检测模块

DS18B20 数字温度传感器仅有一个数据输入输出口，主要优点是线路连接简单、体积相对较小等方面，所以选它来搭建测温模块，而且在一根通信线上实现多个温度传感器的连接，非常容易地检测教室的温度[6]，温度检测模块如图3 所示。在夏季时，当检测教室有人且温度高于26℃，相应区域的风扇先自动开启，若5 分钟后温度没有下降到26℃，则需要关闭窗户，打开空调，进一步降温，使教室凉爽起来；在春、夏、秋的交替季节，系统设置只开启风扇，关闭空调。因为考虑到每年季节变化的时候，总会有大批的学生出现感冒症状，为了使教室保持空气流通，此时选择只开启风扇进行降温。由于风扇和空调都是采用220V 交流电源，但是主控芯片输出电压较小，以至于不能直接控制用电器的开与关，所以利用单片机控制继电器实现对用电器的开启或关闭。

图3 温度检测模块图

■2.3 雨滴检测模块

经调查发现学生上完课后，匆匆带书离开教室，很少有同学主动拉上窗户，为了防止下雨把机房教室的电脑、实训教室的设备或者普通教室的课桌淋坏，在窗户周边安装了雨滴传感器。当雨滴落到感应板上时，感应板的电阻便会发生变化，通过串联电阻分压原理可以检测到感应板输出电压的变化。选用宽电压的LM393 电压比较器，感应板接在K1端口处，出现雨滴时感应板的电阻值会发生变化，并与电阻R1 串联转换成电压信号传递给LM393 芯片的同相输入端INA+，雨滴检测模块如图4 所示。LM393 芯片的两个输入端电压相互对比，若输入端INA+电压大于INA-基准电压时，则输出端OUTA 是1，否则输出是0[7]，OUTA 端与单片机AD 口相连接，进一步检测雨量大小，并根据单片机指令自动关闭窗户，保护教室桌椅，减少学校损失[8]。

图4 雨滴检测模块图

■2.4 光信号调节模块

利用光敏电阻采集外界光照信号，由ADC0832 芯片实现模数信号的转换，再通过单片机芯片调节PWM 占空比的工作方式进行调光，最终满足学生学习时需要的灯光条件，实现自动调光功能，达到理想的效果。光控模块如图5 所示,R8 为光敏电阻,光敏电阻阻值大小与光线强弱成反比例关系，即光线越强时，电阻便越小；光线越弱时，电阻便越大。从图中可以看出电阻R8 和R7 是串联连接形式,将光敏电阻R8 分得的电压值送入到 ADC0832 芯片的CH0 端口中，将连续的模拟电压信号经过抽样、量化和编码为离散的数字信号，方便主控芯片进一步处理。

图5 光控模块图

PWM 是调节灯光亮度的关键，运用PWM 波改变电灯正向导通电流的时间长短，实现灯光亮度变化，即在单位时间内，通过PWM 反复导通和断开实现电灯灯光亮度的调节，因此电灯会出现时亮时暗的闪烁情况。利用人们眼睛对灯光闪烁不够敏锐这一特点，若1 秒内灯光闪烁的速度大于100次，则人们所看到的是灯光亮度不断在增强或减弱，所以在一个PWM 周期中，电流导通所占的总时间越长，人们觉得电灯越亮，否则越暗，并不是电灯一直在闪烁[9]。

■2.5 电灯、电扇和空调驱动模块

由于电灯、电扇和空调都是采用220V 交流电源，主控芯片输出电压较小，不能直接控制用电器的开与关，所以利用单片机的P1.7 口控制继电器实现对电灯、电扇和空调的开启或关闭。以电灯为例，灯光驱动模块如图6 所示。

图6 灯光驱动模块

■2.6 LED 显示模块

LED 显示模块选用贴片式灯珠显示屏，相比传统的LED 式灯珠显示屏，它具有较低功耗、高亮度、寿命长和组装方便等优点。根据教学需求，选择一定的组合方式作为显示屏，安装在黑板上方合适区域，其主要显示室内人数、温度和时间等信息的滚动式显示，方便教师对班级人数的考勤。

■2.7 时钟模块

时钟电路模块主要用来对整个系统提供时间服务，时钟芯片选用 DS1302 芯片与单片机的P1.0、P1.1 和P1.2 相连接，采用SPI 总线方式与单片机进行数据通信，时钟模块图如图7 所示。

图7 时钟模块图

■2.8 电源模块

电源模块的作用是把220V 的交流电依次经过整流、滤波和稳压电路后输出一定范围的直流电，为各种传感器和单片机提供正常的工作电压。220V 交流电先经过T1 降压变压器，把高压交流电转换为低压交流电；再经过四个二极管搭建而成的整流桥，把低压交流电转换为脉动低压直流电；再通过电容C1，滤除掉一部分交流分量；再通过LM317 组成的可调稳压电路，根据调节R1、R2 阻值大小改变输出电压值Vo=1.25(1+R2/R1)[10]。电源模块如图8 所示。

图8 电源模块图

3 系统软件设计

本系统软件设计采用单片机C语言编程，主要通过人体红外传感器、温度传感器、雨滴传感器和光敏电阻等完成信号的采集，实现教室内灯光、电扇、空调和窗户的自动控制。如图9 主程序设计流程图所示。

图9 主程序设计流程图

4 结论

通过对教室灯光分区域管理,利用热释电红外传感器检测每个区域是否有人，并结合光敏传感器判断当前光线情况进一步确认是否需要开灯，减少电能的浪费；通过对室内外环境智能感知，使电灯、电扇、空调和窗户协调工作，保证好学习环境。目前学校教室智能化建设是必不可少的，利用嵌入式技术信息化管理平台，帮助学校提高电力使用效率，减少电费开支，使教师和学生的工作学习环境变得更加明亮舒适，真正实现智能化控制，达到方便、节能、环保的目的。