劉敏層，張 峰

(西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著教育事業(yè)的快速發(fā)展，高校已然成了重要的用電大戶。高校的節(jié)能對引導(dǎo)全社會的節(jié)能工作和提高全國的節(jié)能意識具有重要意義[1]。國家“十二五”建設(shè)規(guī)劃中，將節(jié)能工作列為重點。在中央提出“節(jié)約型社會”、“智慧城市”的號召下，建設(shè)“智慧校園”和“節(jié)約型校園”的工作提上日程[2]。我國大學(xué)校園的教室燈多采用普通開關(guān)控制。由于上課時間比較自由，在白天光照充足的情況下，教室經(jīng)常出現(xiàn)無人明燈的現(xiàn)象，無形中造成大量的電能浪費[3-5]。

以西安建筑科技大學(xué)教學(xué)樓為例，教室無人或只有人員較少時，教室燈具全開并且光照強度達不到照明規(guī)范要求；因為教室數(shù)量眾多，在晚間關(guān)閉樓門時，教學(xué)樓物業(yè)人員需逐間教室去關(guān)燈，對教室燈具不能集中管理，造成了電力和人力的浪費。

針對以上情況，為了更好節(jié)約電能、提高燈控系統(tǒng)智能化程度、方便學(xué)校物業(yè)人員集中管理教學(xué)樓，本文設(shè)計了一種基于STM32控制器的高校教室智能照明監(jiān)控系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計方案

教室燈具布置一般采用水平均勻分布，照明采用分組控制[6]。該系統(tǒng)根據(jù)教室內(nèi)人員分布情況控制相應(yīng)區(qū)域的照明燈具，以滿足局部照度要求。本文以西安建筑科技大學(xué)教學(xué)大樓的教室為例，根據(jù)燈具布局情況劃分相應(yīng)的區(qū)域，在每個燈具上安裝一個紅外模塊檢測該區(qū)域人員存在信息。教室區(qū)域分布如圖1所示。利用光檢模塊檢測教室內(nèi)各區(qū)域的光強，利用紅外模塊檢測人員存在信息，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給STM32單片機進行處理。

圖1 教室區(qū)域分布圖

系統(tǒng)由STM32控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊及上位機終端組成?？傮w設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計方案圖

教室控制終端由STM32控制器、驅(qū)動電路和ZigBee采集模塊組成。采集模塊分為紅外模塊和光檢模塊。無線通信模塊采用處理器CC2430。上位機終端設(shè)置在教學(xué)樓值班監(jiān)控室，用來接收和實時顯示教室照明信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。當(dāng)紅外模塊檢測教室有人，且光檢模塊檢測到室內(nèi)光照強度不足時，控制器根據(jù)設(shè)定的智能算法發(fā)出開燈控制指令，并根據(jù)自然光強大小對教室燈具亮度進行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，以達到預(yù)設(shè)值。系統(tǒng)通過無線通信模塊將室內(nèi)信息發(fā)送給上位機，物業(yè)人員可通過上位機查看每間教室的照明情況，并進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)兼容了自動模式與手動模式，自動模式便于教室自動化操作，手動模式便于在特殊環(huán)境下人性化操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32控制器為核心芯片。硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源模塊

由于各芯片的工作電壓不同，需要將220 V交流市政供電轉(zhuǎn)化為各芯片所需要的工作電壓。本文中無線通信模塊需5 V供電，STM32控制器需3.3 V供電。電源模塊硬件電路如圖4所示。電路中的220 V交流電經(jīng)變壓器220 V/12 V，在保險絲F1的保護下，轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V交流電輸出；然后，經(jīng)橋式整流、電解電容濾波和穩(wěn)壓芯片LM7812后，轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的12 V直流電；最后，將12 V直流電經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM2596轉(zhuǎn)換成5 V直流電，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117轉(zhuǎn)換成3.3 V直流電。

圖4 電源模塊硬件電路圖

2.2 LED驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用節(jié)能的LED燈作為教室照明光源，圍繞PT4115芯片設(shè)計LED驅(qū)動電路。同時，系統(tǒng)使用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)調(diào)光，在單位時間內(nèi)反復(fù)接通和斷開LED電流，調(diào)節(jié)發(fā)光亮度[7-10]。驅(qū)動電路如圖5所示。DIM端外接STM32控制器PA1端口，通過輸出PWM脈沖進行調(diào)光。開關(guān)頻率通常要大于100 Hz，使得LED閃爍不易被人眼察覺。

圖5 驅(qū)動電路圖

2.3 光檢模塊電路

光檢模塊電路采用光照強度傳感器。端子9外接光照強度變送器。采集到的4～20 mA電流信號通過物理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，并被傳送至控制器的內(nèi)置A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。STM32控制器的工作電壓為3.3 V。經(jīng)過計算，在設(shè)計中選用150 Ω電阻R9，即可滿足控制器可接受的電壓取值。光照強度采集電路如圖6所示。

圖6 光照強度采集電路圖

2.4 紅外模塊檢測電路

本系統(tǒng)使用HC-SR501型號紅外傳感器。該傳感器檢測范圍為4～14 μm，包含人體紅外輻射波長9.65 μm[10-11]。輸出高電平為3.3 V，低電平為0 V，可滿足控制器的電壓取值。

2.5 無線通信模塊

ZigBee是以IEEE 802.15.4 為基礎(chǔ)的一組涉及網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用的軟件協(xié)議[11]。無線通信模塊采用TI公司的ZigBee無線通信模塊CC2530，內(nèi)置射頻(radio frequency,RF)轉(zhuǎn)換器，并結(jié)合增強標(biāo)準(zhǔn)型8051MCU，具有可編程的256 B閃存、8 KB的RAM、兩個通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口、可復(fù)用SPI8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)、21個通用輸入/輸出口(general-purpose input /output ports,GPIO)等[12-13]。CC2530的供電電源為3.3 V，通過串口與STM32控制器進行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是將控制邏輯嵌入控制器中，使整個系統(tǒng)按照所設(shè)計的控制流程運行，包括主程序設(shè)計、ZigBee節(jié)點程序設(shè)計和控制算法程序設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

控制器主程序為整個控制系統(tǒng)的核心，其流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先對其進行初始化，然后設(shè)置手動模式或者自動模式。在手動模式下，可按照實際教室燈具使用情況進行合理配置燈具。在自動模式下，每個區(qū)域的傳感器檢測人員存在信息。若有人存在并且該區(qū)域的光照強度達不到預(yù)設(shè)值，單片機則控制燈具打開。根據(jù)自然光強度與預(yù)設(shè)值的偏差量，調(diào)用算法進行調(diào)光動作。若該區(qū)域有人但是光強滿足預(yù)設(shè)值，則不打開燈具。以上所有的光強預(yù)設(shè)值均根據(jù)照明規(guī)范要求設(shè)定。

圖7 控制器主程序流程圖

3.2 ZigBee終端節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)：申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)；與 ZigBee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)傳輸，終端節(jié)點之間無法進行數(shù)據(jù)交流。當(dāng)控制器采集教室內(nèi)數(shù)據(jù)信息并將其傳輸至終端節(jié)點后，燈具使用信息將被打包發(fā)送至協(xié)調(diào)器，并等待其確認(rèn)的命令幀。如果在程序設(shè)定的最大等待期限內(nèi)沒有收到協(xié)調(diào)器的確認(rèn)命令幀，則需要重新發(fā)送，直到通信成功。ZigBee終端節(jié)點程序流程如圖8所示。

圖8 ZigBee終端節(jié)點程序流程圖

3.3 基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID調(diào)光算法設(shè)計

單神經(jīng)元自適應(yīng) PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個多輸入、單輸出的兩層網(wǎng)絡(luò)。其具有自學(xué)習(xí)能力,并可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)不易在線實時整定的問題。該設(shè)計同樣適用于參數(shù)時變、非線性、強耦合的復(fù)雜控制系統(tǒng)[14-15]。單神經(jīng)元PID結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 單神經(jīng)元PID結(jié)構(gòu)圖

圖9中：轉(zhuǎn)換器的輸入為光照強度設(shè)定值Qr(k)和感應(yīng)燈具亮度的輸出Q(k)；轉(zhuǎn)換器的輸出為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制偏差量所需要的狀態(tài)量X1(k)、X2(k)、X3(k)，分別代表設(shè)定值與實際輸出的偏差、偏差積分、偏差微分。

(2)

P(k)=X1(k)=Qr(k)-Q(k)=W(k)為性能指標(biāo)。 神經(jīng)元通過關(guān)聯(lián)搜索來產(chǎn)生信號，即:

(2)

式中：K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K>0。

監(jiān)督式Hebb學(xué)習(xí)算法可以更好地保證調(diào)光控制器的收斂性和魯棒性。

(3)

式中： ?P、?I、?D分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率，取值一般在 0～1 之間[16-18]。通過調(diào)節(jié)參數(shù)，從而更加精確地調(diào)節(jié)PWM占空比的輸出。

下位機采集到的各個數(shù)據(jù)信息通過無線通信技術(shù)發(fā)送至上位機。測試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠在有人的情況下自動打開燈具并快速調(diào)節(jié)亮度，達到了節(jié)能的目的。

4 結(jié)束語

基于STM32單片機，本文設(shè)計了教室照明智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了教室燈具根據(jù)人員存在信息而自動開關(guān)燈的功能，加入了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID調(diào)光算法，很好地實現(xiàn)了快速有效的調(diào)光。該系統(tǒng)有效解決了“長明燈”、室內(nèi)光強過剩和管理落后等問題。通過計算機端人機交互界面，將采集的教室內(nèi)的情況實時進行顯示，便于教學(xué)樓管理人員對教室照明集中監(jiān)控，節(jié)省了人力、物力。測試表明，該系統(tǒng)各個模塊可有效、穩(wěn)定運行。