宿舍灯光与预警智能控制系统设计

何龙，冉东阳，杨柳

（上海电机学院 电子信息学院，上海，201306）

0 引言

传统的宿舍楼和教学楼的照明系统设定为手动开关，一旦打开开关，无论有人没人，光照充足或者光照不足，灯光始终保持一定的状态，不会自动增强光强，也不会自动关闭开关[1]。传统的火灾地震预警也仅仅停留在发出警报，在夜间火灾、地震及各种事故中，缺少灯光常使得人群疏散困难，在事故发生后不久，照明电路系统也会被破坏，第一时间提供照明帮助人群疏散极为重要。

近年来，照明系统发展得越来越智能化和舒适化。智能照明系统可以根据光照强度和监测照明区域是否有个体存在智能控制照明开关，充分节约能源[2]。地震预警技术飞速发展，密集地震的科学观测使现有地震处理区别于传统地震处理模式，大数据的地震信息处理使地震处理速度达到秒级。超快地震速报，可以达到地震发生后 5～10 s 就实现地震警报[3]。

本文设计了基于STM32 单片机控制，搭载ESP8266 WiFi 模块及人体红外、光敏传感器等多种传感器的宿舍灯光与预警智能控制系统，能够根据总体照明信息反馈并搭配多种传感器感知照明环境智能控制灯光的开启和关闭达到节能的效果，并在获取火灾地震的警报信息时发出警报并打开全部灯光提供照明帮助人群立即疏散。

1 系统设计

系统以单片机总控制，由火焰检测模块、光强检测模块、语音识别模块、烟雾检测模块、人体红外感应模块作为主要数据检测部分；继电器模块控制照明模块、灾害报警模块作为输出模块；WiFi 模块联网获取地震预警信息，可与手机端进行互联来控制照明模块；电源模块为系统提供电源。本系统达到以下几点要求：能够根据宿舍楼层空气烟雾浓度等火灾检测数据，自动启动火灾警报；能够根据联网获取地震预警信息，自动开启地震警报；能够根据语音识别和手机端等控制指令，自动控制私人区域照明；能够根据夜晚宿舍楼层全部单间宿舍等私人区域照明情况，自动控制相应的公共区域照明；人体红外感应模块根据红外检测到有人时，自动开启该公共区域灯光；能够根据白天公共区域光敏模块数据，自动调整公共区域灯光的亮度。系统结构框图如图 1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 光强检测模块

光强检测模块包括光敏电阻和电压比较器两部分，LM393电压比较器获得光敏电阻受环境影响改变的电压值，不同环境下光强的限值可由自带滑动电阻调整，感应测量到光照强度的大小[4]。将光信号的数据转化为电流强度信号后，单片机获得并处理电流强度信号。光敏电阻有封装可靠性大、体积小、反应速度快环保等优点，且光敏电阻对光的敏感性近似人眼睛的感光性。光敏传感器电路图如图 2 所示。

图2 光强检测模块电路图

2.2 人体红外感应模块

人体红外感应模块带有调节距离的电位器，且人体感应模块的静态电流较小，适配性高，可以实现和各个电路的连接。人体传感器的红外探头可以检测到人体发出的红外线，不受外界可见光的影响，它的工作原理为人体散发出大约为 10μm 波长的111 红外线[4]，而红外探头能够感应到由人发出的红外光，通过菲涅尔透镜能够将这些光束中的红外线集中并且去除其他辐射的影响。其工作环境下检测有人时，输出电平为高，工作环境下检测到无人时，输出电平为低，具有高灵敏度，高稳定性等优点。人体感应模块电路图如图3 所示。

图3 红外人体热释电传感器电路图

2.3 继电器模块

继电器用于电控制，当激励量的浮动达到设定阈值时，使输出电路中被控量进行设定阶跃变化的元件。在本电路中工作时的继电器可实现弱电控制强电，由控制器输出的5V电压控制 220V 的交流电[5]。继电器原理图如图4 所示。

图4 继电器原理图

2.4 WiFi 模块

该WiFi 模 块 采 用ESP8266 无 线 传 输 模 块，采 取802.11b 的网络通信协议 ，WiFi 通信的传输速率最高可达到 11Mbps，可实现模块与 MCU 单片机的串口通信。在物联网开发、可穿戴式电子元器件及第三方网络信息获取等方面具有多种用途[6]。ESP8266 电路原理图如图5 所示。

图5 ESP8266 电路原理图

2.5 灾害报警模块

ADC0832 是8 位分辨率的A/D 转换芯片，分辨最高可达256 级，完全满足一般的模拟量转换要求。具有双数据输出可作为数据校验，减少误差，转换速度快且稳定。特定的芯片使能输入，让多器件挂接和处理器控制变得更加方便。DI 数据输入端还可实现多种通道功能的选择。ADC083控制喇叭输出语音警报，蜂鸣器同时交替响起警报。如图6所示。

图6 ADC0832 与蜂鸣器组合成的地震报警模块

2.6 烟雾检测模块

MQ-2 传感器内有二氧化锡气敏材料，环境温度达到特定温度时，空气中的氧被吸附在二氧化锡表面，二氧化锡中的电子密度降低，使其电阻值变大。它具有高灵敏度、快速响应、高稳定性、高可靠性等优点。当烟雾接触到这种气敏材料时，其晶粒间界处的势垒会因为烟雾的浓度产生变化，导致二氧化锡导电率发生变化。烟雾的浓度增大会导致输出电阻降低，输出到单片机的模拟信号也会增大。烟雾检测模块电路原理图如图7 所示。

图7 烟雾检测模块电路原理图

2.7 火焰检测模块

火焰传感器可以识别并检测到物体燃烧产生的光源，一般燃烧物燃烧时产生的光源波长范围大约在 760～1100nm 之间，模块内的电位器可以让传感器对不同环境中的燃烧物光源进行检测，输出信号在其电路中处理后由比较器输出，具有良好的输出波形和负载能力强的驱动。火焰传感器电路原理图如图8 所示。

图8 火焰检测模块电路原理图

2.8 语音识别模块

语音识别模块芯片内部集成了高效的优化算法，对带有Flash 、RAM 的外设没有必要的需求，很好地降低了电路的复杂程度。同时也不需要在使用过程中事先训练和录音来完成非特定人语音识别，识别准确率也比较高[7]。语音信息在MIC输入后先进行频谱分析，提取出声音的语音特征信息。然后语音识别器将关键词语列表中的数据与采集到的语音特征信息进行对比匹配，找出其中得分最高的关键词语作为语音识别结果输出。语音识别模块原理如图9 所示。

图9 语音识别原理图

图10 电源模块图

图11 主程序设计流程图

2.9 电源模块

电源模块将220V 的交流电依次经过整流、滤波和稳压电路后输出设定范围的直流电，提供正常的工作电压给系统中的传感器和单片机。220V 交流电先通过T1 降压变压器，将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；LM317 组成的可调稳压电路将会根据调节 R1、R2 阻值大小改变输出电压值[8]。电源模块如图 10 所示。

3 系统软件设计

系统开始工作时，首先进行基本参数初始化，并连接WiFi，连接WiFi 成功后获取网络数据，其中包括地震预警信息、网络时间和手机端对照明系统的无线控制指令等，连接WiFi 失败后则再次参数初始化后重新连接；获取网络信息后进行火灾和地震检测，若检测到灾害发生则发出灾害警报，并打开照明系统全部灯光，在检测到灾害消除时，关闭警报，如图 11 所示。

灯光智能控制模块子程序，如图12 所示。其主要步骤包括：（1）语音识别模块和手机端无线控制等照明控制指令检测，打开或关闭私人区域照明（例如开关单间宿舍灯）；（2）获取网络时间等网络信息；（3）若时间为白天，则光强检测模块检测光照强度是否充足，不充足则打开该公共区域灯光，再次检测到光照充足时关闭；（4）若不为白天，则获取所有单间宿舍等私人区域照明信息，判断是否打开公共区域灯光或关闭；（5）在夜间关闭公共区域灯光后，人体红外感应模块检测到有人经过，则打开公共区域灯光，再次检测到无人时关闭。

图12 灯光智能控制模块子程序图

4 系统测试结果

本系统通过光强检测模块采集光强数据，火焰检测模块和烟雾检测模块检测的数据判断是否发生火灾，WiFi 模块获取地震预警信息，同时获取照明模块信息。单片机对这些数据进行分析和处理，图13 为测试数据显示界面。图14 为系统测试中手机通过微信小程序控制开关灯的小程序控制界面。图15 为模拟联网获取地震预警信息。

图13 测试数据显示界面

图14 小程序控制界面

图15 模拟地震预警信息获取图

5 结论

本系统设计通过STM32 单片机对多种传感器采集的数据进行分析处理并控制灯光系统，同时进行火灾地震预警。与现有灯光控制系统不同的是，本系统加入了照明信息反馈，根据所有单间宿舍等私人区域照明信息的反馈并搭配多种传感器控制照明，相比现有照明系统更加适用于不同生活作息的人群，同时实现了照明的舒适性和节能。使现有的火灾地震预警技术与照明系统统一协作，在检测到地震或火灾发生时第一时间发出警报并为夜间第一时间疏散人群及寻找避难场所提供照明，减少人员伤亡。