基于STM32F1的智能型节能教室系统

西北民族大学电气工程学院 张婉晴 董佳佳 张本谕 潘 阳 覃江泉

伴随着社会用电需求的不断增加，我们面临着用电负荷持续攀升的现状。以大学校园用电为例，许多大学不断扩大招生规模，导致校园内对照明的需求愈来愈多；同时，由于大部分同学的节能意识相对薄弱，导致了天明灯亮、人走灯亮等现象屡有出现。每天晚上教学楼闭楼时，教学楼业务管理人员需要到每一间教室去关灯，这必然会造成巨大的电能和人力资源的浪费。因此，为提高教室的用电效率和管理水平，本文设计了一款智能型节能教室系统。相对于其他传统教室，该教室可有效解决各大院校教室、工厂、体育馆、图书馆等场所的无人灯开、天明灯开的现象。本设计采用单片微控制器的多样化数据采集与控制系统，在满足照明需求的同时，为学校节省了电力资源和人力资源的开支。另外，它能够显著提高教室内灯光的能源利用率，生产成本低且便于调试安装，有效地缓解电力资源的紧缺，具有广阔的应用前景和发展空间。

1 系统总体设计

1.1 系统总体框架

本系统由硬件和软件两个部分构成。其中，硬件部分主要以单片机（STM32F103V3）系统为核心电路，其外围电路包括：系统供电模块、环境光线采集模块、按键输入模块、人体红外感应电子模块、系统时钟模块、超时报警模块等。本系统的软件部分主要对光线、时间及人数等变量进行采集、判断和处理，并通过不断调试使该系统能够实现智能化（如图1所示）。

图1 系统单元框架图

1.2 系统基本方案

首先，本系统设计的基本方案是分白天模式和晚自习模式两种模式实现预期功能：

（1）白天模式主要是利用光敏电阻传感器检测当前环境的光线亮度，将检测信号返回给单片机，将检测信号值与设定光线值进行比较，若前者低于后者，表明此时环境光线较暗，系统会自动提供照明服务；反之，系统将不会允许开灯，实现了照明系统的智能化。在教室门前安装人体红外热释传感器作计数处理，并将教室内人数显示于教室液晶显示屏，以便老师了解学生的出勤率；同时，当学生下课离开教室忘记关灯的情况下，教学内的灯会自动熄灭。

（2）在晚自习模式下，初始状态只有第一间教室亮灯可以使用，其他教室无法使用。当教室内人数过半时，逐渐开放各个教室以达到节能的功能。考虑到一些学生刻苦学习而忘记回宿舍休息，此模式增加报警设置，当达到设定时间（如23：00）时启动超时报警，提醒学生回宿舍。在一定的缓冲期后，教室内的灯会自动熄灭。

为验证此设计的可用性，提高可信度，可以利用摄像头实时监控教室情况。为便于学生查找教室进行自习，在教学楼大厅增加显示器用于显示各间教室的使用情况。防止单片机在工作过程中产生程序死机等情况，加入看门狗模块使其恢复并重新工作；同时，加入EEPROM模块，在重新复位后具有断电保护功能，可马上恢复工作。

2 系统硬件设计

本设计采用的主控芯片STM32F103V3是一款专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核处理器。该芯片内部集成多种外设功能，如定时器Timer、ADC、SPI、UART、I2C等，可广泛应用于电力电子系统、电机驱动、应用控制、医疗等领域，是一款常用的增强型系统的微控制器。其供电模块采用AD-DC电源模块，实现200 V转5 V，接入单片机后实现对主控芯片及其外围电路的供电。本系统采用4线制光敏电阻传感器，为了更加精准地获取教室环境的光线强度，将模拟量输出端A0与STM32F1单片机的引脚PF8端口相连，利用AD模块完成代码的编写，即可得到准确的光照值。由于教室的大小不同，在晚自习模式下则利用矩阵键盘对教室人数总容量进行初始设置。初始状态下只有第一间教室亮灯，当教室人数过半时逐步开放后续教室，以达到节能的效果。根据人们的行为特征，将两个光电传感器分别设置在门的内、外侧，可以在统计教室人数的同时，将人数显示于液晶显示屏，以便老师了解学生出勤率；同时，在室内无人时强制断电，将智能化与节能融为一体。热释电红外传感器采用双元探头，当人体经过探头的左右方向时,发出的红外光谱到达双元的时间和距离会存在差值，且差值愈大感应愈灵敏。但是，当人体从正面走向探头或经过探头的上下方向时，双元探无法检测红外光谱距离上的变化，此时不存在差值，导致感应不灵敏甚至不工作。为了使该模块能够具有更大的感应脚范围，采用菲泥尔滤光透镜使得探头四面都能感应到，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强。为实现监测的灵活性和准确性，我们在教室过道横向、竖向安装多个热释电传感器，采用全自动感应以感应人体是否进入教室，对人体进行计数。系统的照明模块为绿色环保的LED半导体光源，其光线柔和、光谱纯净，利于保护用户视力，满足用户体验。虽然单个LED的体积小，但其寿命较长、适用性能好，可根据用户需要做成任何形状。相较于普通灯具，其回应迅速且外形坚固、不易损坏，由无毒的材料制成，可回收利用。本系统还装有超时报警模块，当时间超过设定时间，其会报警通知学生离开教室，并在一定的缓冲期后，关闭教室照明系统。同时，通过摄像头监控本系统，验证其可行性。在教学楼大厅实时显示当前教室的情况及每间教室的使用情况，以便学生能够迅速找到教室学习。

3 系统软件设计

本系统的软件流程如图2所示，其使用的编程语言是易学易用的基础语言——C语言，使用的编译器为Keil 5。在程序设计过程中，明确本系统需要实现的功能；逐步分解和细化这些功能要求，并对其进行模块化编程，完成函数初始化；编写主函数，确定函数之间的调用关系；优化设计模块之间的调用关系。这种编程方法降低了程序设计的复杂性，提高了代码的可重用性和可维护性，在发现问题时能够及时找出问题并修改，利于团队开发。

系统上电初始化后，设定定时器并允许定时器中断。自动运行看门狗系统，若发生意外，启动EEPROM模块存储当前数据，否则继续进行判断。按下输入数值进行教室人数总容量的设定，完成摄像头系统图像的采集；同时，进行环境光线的采集，对当前环境光线亮度进行判断，若环境光达到设定光线阈值，表明当前环境光线充足，灯将无法打开。若光线亮度未达到阈值，启动人体感应处理任务，实现智能开灯。在设定定时器后，也将执行时钟处理任务，若当前时间超过设定时间后，启动超时报警功能，实现智能关灯。

图2 系统软件程序流程图

结束语：本文综合利用了应用电子技术、传感器技术、单片机技术完成了对智能型节能教室系统的研究和设计。首先，学习部分模块并编写相应功能实现代码，基本功能实现后，开始进行硬件电路的焊接。最后进行系统性调试，使软硬件相互配合以确保该系统能够正常工作，观测其调试结果是否符合设计要求。同时，需要模拟不同光线不同时间下的教室情况，多次试验避免偶然性，逐渐优化代码及硬件设施，完善系统功能，提高项目可行性。本项目的创新点：（1）节能性：白天开启白天模式，晚上开启晚自习模式，避免“长明灯”的出现，人走灯灭，控制设备能耗极低，供电设备可进行科学智能供电，节约大量的电力资源。（2）操作简便性：在使用过程中，人们只需进入教室，无需任何操作，该系统便能自动检测并为用户提供照明设置，安装时无需改变公共场所或民用场所内的原有设备位置，使用简便、适用范围广。（3）智能性：在教室的门口设置红外传感器，以达到对教室人数的计数功能；在统计教室人数的同时，将人数显示于教室液晶显示屏，以便老师了解学生出勤率；相邻的自习室具有相关性，前一个自习室人数过半才允许开放第二个自习室供学生使用。