王逸陽，曾祥珂，曹 昱，朱建光

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，人類社會(huì)的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾，在此背景下，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展要求且“可以從身邊做起”的選擇[1]。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)展報(bào)告公布，2018年全年社會(huì)用電量為6.84萬億千瓦時(shí)，同比增長8.5%。2019年上半年全國用電量同比增長5.5%[2]。其中，建筑照明能耗已成為一個(gè)國家總能耗的重要組成部分。我國照明能耗約占全國總能耗的 12%～20%，因此，減少照明能耗對(duì)節(jié)能減排具有重要意義[3]。

目前，在國內(nèi)的高等院校中，教室的分配主要由教務(wù)部門安排，教室的管理與維修主要由后勤部門負(fù)責(zé)，這種管理方式容易造成教室管理的空白[4]。這就增大了對(duì)教室管理的困難以及容易出現(xiàn)長明燈的現(xiàn)象。

推廣教室智能燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效的節(jié)省電力資源，可以使教室內(nèi)的亮度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)學(xué)生的眼睛；還能夠根據(jù)有效學(xué)生人數(shù)及分布情況智能調(diào)整燈的明暗，有效提高日光燈的使用壽命。

J.A.Lynes 在文章A sequence for daylighting design中介紹了一種利用天頂照度測(cè)量室內(nèi)照度的方法[5]。侯賀在文章《室內(nèi)墻面照度傳感器布置方法及照明調(diào)光控制系統(tǒng)的研究》中提出了在墻面安裝照度傳感器測(cè)量桌面照度的方法，并闡述了燈光調(diào)節(jié)的原理[6]。T.J.Liang等人在文章Design an Analysis of Dimming Electronic Ballast 中提出了一種開關(guān)占空比的調(diào)光方法[7]。楊思源在《結(jié)合天然采光與燈具調(diào)光的辦公室智能照明控制策略研究》一文中使用DIAlux 軟件、結(jié)合自然光進(jìn)行仿真，得出了適合不同天氣的調(diào)光方法[8]?，F(xiàn)有的智能燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)大多應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，極少有針對(duì)教室燈光調(diào)節(jié)的研究，且尚未發(fā)現(xiàn)有根據(jù)教室人數(shù)分布調(diào)節(jié)燈光的探究。

1 項(xiàng)目原理

該項(xiàng)目由信號(hào)端、控制端、終端組成。信號(hào)端由高清攝像頭和照度傳感器組成。攝像頭用于采集教室內(nèi)部圖像并識(shí)別教室內(nèi)人員數(shù)量及分布情況，控制端由STM32F429進(jìn)行信號(hào)處理。通過信號(hào)端傳來的數(shù)據(jù)，使用算法計(jì)算得到教室內(nèi)區(qū)塊人員數(shù)量及分布情況。光傳感器將采集到的光照信號(hào)傳遞到接收端進(jìn)行匯總處理，采集終端傳來的信號(hào)后，對(duì)教室內(nèi)每個(gè)光源進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。終端分為兩套控制系統(tǒng)，分為人工及智能控制系統(tǒng)。人工控制以防出現(xiàn)程序失控及其他突發(fā)狀況。智能控制主要由STM32F429進(jìn)行，用于向控制端傳輸控制面板上的控制要求或?qū)y(cè)量工具的一些測(cè)量值傳入控制端。系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

工作流程的實(shí)現(xiàn)過程如下：假如判斷教室內(nèi)有人進(jìn)入后，教室內(nèi)燈光預(yù)先打開，在確定人員固定位置后，調(diào)整教室燈管工作狀態(tài)。通過優(yōu)化光照補(bǔ)償算法、在桌面安裝照度傳感器以更加精準(zhǔn)的測(cè)量教室內(nèi)照度確保人員用光適宜且節(jié)能。在夜里，人工可以設(shè)置系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間段，降低能源消耗。

本產(chǎn)品使用主從一體藍(lán)牙模塊HM-10進(jìn)行通信。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)，基于單片機(jī)串口通信協(xié)議書寫藍(lán)牙通信程序，以電腦、手機(jī)作為上位機(jī)，使用AT 指令對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行主從機(jī)、連接等配置最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間的無線通信。在使用中主機(jī)向從機(jī)發(fā)送燈光調(diào)控命令，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送照度傳感器數(shù)據(jù)形成小型物聯(lián)網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)照度的恒定。

人像識(shí)別核心算法步驟如下：

第一步，拍攝一張當(dāng)前場景下的空教室照片并存入設(shè)備。

第二步，工作實(shí)時(shí)拍攝教室當(dāng)前照片并與空教室照片進(jìn)行圖像減法實(shí)現(xiàn)人像分離。

第三步，應(yīng)用模糊C 均值算法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，并對(duì)圖片進(jìn)行腐蝕，膨脹及閉運(yùn)算，使得輪廓更光滑，人像更突出。

第四步，對(duì)圖片進(jìn)行輪廓提取，判斷人像輪廓并計(jì)算輪廓中心。

第五步，得到人像中心坐標(biāo)并寫入數(shù)組從模塊中輸出。

在終端接收到攝像頭返回的人像坐標(biāo)后，系統(tǒng)調(diào)用安裝在桌面上的照度傳感器對(duì)有人位置的桌面照度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后將當(dāng)前照度與設(shè)定照度進(jìn)行比對(duì)，若當(dāng)前照度不滿足設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)行燈光照度調(diào)節(jié)。

如圖2所示的直流降壓驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了輸出電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了燈光照度調(diào)節(jié)。

圖2 直流降壓驅(qū)動(dòng)電路

調(diào)光電路由自主設(shè)計(jì)直流電源，調(diào)壓電路、LED 日光燈三部分組成，其中直流電源具有優(yōu)勢(shì)在于體積小，功耗低等特點(diǎn)。調(diào)壓電路為功率MOSFET 晶體管、二極管、電感、電容、STM32微控制器構(gòu)成的Buck 降壓斬波電路。該電路的輸出電壓取決于STM32微控制器輸出PWM 波的占空比，占空比越高輸出電壓越高。Buck 降壓斬波電路實(shí)現(xiàn)了LED 日光燈兩端電壓的線性調(diào)節(jié)。本電路實(shí)現(xiàn)了PWM 輸出控制，既實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓，又降低了電源電路輸出功率。

2 智能調(diào)光系統(tǒng)仿真結(jié)果

燈光仿真測(cè)試：智能燈光控制系統(tǒng)使用基于對(duì)象和屬性的建模方法，通過比較不同環(huán)境不同開啟狀態(tài)下燈光照度的情況，評(píng)估何種光照情況能達(dá)到既滿足照度需求又節(jié)約能源的作用。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：DIAlux 仿真軟件。實(shí)驗(yàn)中的控制變量為教室的桌椅排布情況，燈光的擺放情況，同一時(shí)刻的日照的照度情況[9]。

仿真環(huán)境為一個(gè)長9 m、寬7.2 m、高3.5 m 的教室，教室內(nèi)燈具安裝高度為3 m、課桌高度為0.72 m。在天氣為標(biāo)準(zhǔn)陰天時(shí)教室照度情況如圖3所示，不難發(fā)現(xiàn)教室大部分桌面照度均不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的300 lx[10]。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)陰天條件下教室照度情況

現(xiàn)假設(shè)攝像頭檢測(cè)到有人位于圖中1號(hào)桌，stm32通過藍(lán)牙模塊接收到人像信息開始調(diào)光。調(diào)光結(jié)果如圖4所示。

圖4 燈光調(diào)節(jié)后的照度情況

根據(jù)仿真結(jié)果可知，1號(hào)桌的平均照度為280 lx，接近國家標(biāo)準(zhǔn)。由上述仿真實(shí)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足根據(jù)人數(shù)分布情況調(diào)節(jié)燈光的需求，且達(dá)到了既滿足學(xué)生需要的照度又能節(jié)約能源的目的。

3 結(jié)束語

該項(xiàng)目結(jié)合人像識(shí)別算法，優(yōu)化光補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)了一套基于stm32微控制器的智能燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將使用攝像頭、照度傳感器實(shí)現(xiàn)了根據(jù)教室人員分布自動(dòng)調(diào)光的功能。經(jīng)過仿真驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠滿足教室對(duì)于照度的要求，做到了在滿足正常照度需求的情況下對(duì)能源的最大節(jié)約。在完成該項(xiàng)目之后，團(tuán)隊(duì)將依據(jù)此項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的拓展與改進(jìn)，進(jìn)一步精進(jìn)人像識(shí)別算法并最終與學(xué)校人臉庫結(jié)合，完成自動(dòng)課堂點(diǎn)名，自動(dòng)簽到的功能。此外，項(xiàng)目進(jìn)一步與學(xué)校安保系統(tǒng)和當(dāng)?shù)毓蚕到y(tǒng)的合作，建立完備的安防報(bào)警系統(tǒng)，在無人值守的情況下第一時(shí)間了解教室動(dòng)態(tài)。