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基于树莓派的智能校园灯控制系统整合研究

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基于树莓派的智能校园灯控制系统整合研究

创意人:李雪梅  学校:巢湖一中  指导教师:胡大春,马军   奖项:特等奖

创意简介:随着科学技术的不断发展,尤其是网络技术的快速成熟,以及生活水平的提高,人们对绿色环境,低碳生活的要求也越来越高,因此节能也成了一个比较受关注的话题。

  现在学校楼层都比较高,学生忘记关灯,有时候白天灯开着由于光线而难以发现,楼层管理员也不会时时刻刻都来检查,然而,就算有时发现有教室开无人灯,但是上那么高的楼也是会比较累的,不是很便捷,因此笔者设计一种可以自动检测教室是否有人,是否亮着灯,然后提醒,可以通过手机,电脑等客户端来控制教室里的灯的系统。

  该系统由控制模块、检测模块、通信模块、开关模块组成。在校园智能灯控系统中,首先安装在教室上的传感器进行数据采集,主要信息是热释电红外传感器检测到的信息,传感器将得到的信息传输到树莓派中,树莓派根据信息发送开关灯的指令,然后控制开关模块对教室灯进行操作。通过对电流的检测,当检测数据得出已开灯时,此时再通过人体红外检测,得到数据判断是否有人,如果有人,则灯继续亮着,如果没人,则向监控主界面发出提醒,提示教室里开的是无人灯。主界面主要包括两个主要指示和操作,教室灯状态和教室人员状态:我们可以清晰的看到教室灯是否开着、教室是否有人。自动关灯:如果教室没有人而且灯却开着的状态,则自动关灯。为了防止热释电红外传感模块出错,有一个选项可以关闭自动关灯。手动开灯关灯:可以实现电脑(手机)远程控制树莓派进行开灯关灯操作。

  创新点与实际应用

  创新点:

对传统的无线控制模块进行改进,使用树莓派构架服务器进行网络控制LED灯。相对于传统的校园控制系统,本文提出的方法更加简单便捷且能实现相同的功能。

应用价值:

本文设计的基于热释电红外传感器的校园智能灯控系统有效的降低传统校园照明的电能浪费,同时也节省了管理资源,大大的降低了人力资源的使用。

附件:

基于树莓派的智能校园灯控制系统整合研究

摘要:文章从有效节约电能,方便校园对室内灯管理,节省校园管理成本等方面出发,管理者能及时了解教室灯的使用情况,无需逐个教室检查,提高教室智能化水平,为学校教室灯管理提供了一套整合的灯控信息服务系统。

关键词:智能校园;灯控系统;树莓派;整合研究

1 引言

 随着科学技术的不断发展,尤其是网络技术的快速成熟,以及生活水平的提高,人们对绿色环境,低碳生活的要求也越来越高,因此节能也成了一个比较受关注的话题。当然,生活中我们常常会忘了关灯,无人灯是一个比较浪费电的问题,而在大学里,教室是学生们学习的最佳场所,学生晚上上自习时并没有固定教室的,因此也没有专门的负责人来负责关灯,造成的电能浪费是很严重的。

 现在学校楼层都比较高,学生忘记关灯,有时候白天灯开着由于光线而难以发现,楼层管理员也不会时时刻刻都来检查,然而,就算有时发现有教室开无人灯,但是上那么高的楼也是会比较累的,不是很便捷,因此笔者设计一种可以自动检测教室是否有人,是否亮着灯,然后提醒,可以通过手机,电脑等客户端来控制教室里的灯的系统。

2 工作原理

2.1系统组织成分

控制模块、检测模块、通信模块、开关模块。如下图所示。

 

2.2各部分功能简介

控制模块:管理整个系统,控制检测模块和开个模块。

检测模块:通过检测器检测电流,以及检测人体红外。

通信模块:传播数据,通过客户端控制开关。

双控模块:利用继电器充当单刀双掷开关,在接收到消息以后,通过树莓派实现远程控制教室。

通信模块把检测模块所检测的数据传递给控制模块,控制模块做出相应的命令再通过通信模块传递给开关模块,最后进行控制开关灯。

2.3控制流程图

 本文研究的校园智能灯控系统各模块的协同工作如下图2-1所示:

图2-1

3智能照明控制系统的硬件设计

3.1树莓派处理器选型和简介  

树莓派是软件方面作为当今世界,最受欢迎的mini PC,树莓派爱好者为其定制了相应的LINUX系统,并开发了大量应用。

硬件方面,树莓派的参数如下:

ØBroadcom BCM2835 700MHz ARM1176JZFS 配备 FPU 处理器,4核 GPU 处理器

ØGPU 支持 Open GL ES 2.0, OpenVG 硬件加速,1080p30 H.264 高清解码

ØGPU 带宽 1Gpixel/s, 1.5Gtexel/s or 24GFLOPs DMA 纹理解析

Ø带Micro SD 卡插槽(支持通过它启动 Linux 操作系如 Fedora)

Ø尺寸:85 x 56 x 17 mm

Ø3.5 mm 音频输出接口

ØmicroUSB 接口供电

Ø10/100 自适应网卡

ØUSB 2.0 接口 x 4

ØMicro SD 卡插槽

Ø512 MB 内存  

Ø摄像头接口

Ø40PIN接口

ØHDMI 接口

ØLCD接口

3.2热释电红外传感器

HC--SR501 的人体感应模块集成了传感信号处理电路(BISS0001)和菲涅尔透镜。正常人都会因为发热产生红外线,向外发生辐射的红外线波长跟人体的有关,人体表面的温度越高,辐射红外线能量就越强[2]

热释电红外传感器,就是利用热释电原材料因温度变化而产生的热释电效应来检测红外线辐射能量从而达到测量是否有人的元件,他能以非接触形式探测出来自人体辐射的红外线及外界物体发射出的强度不同的红外线能量并转化成电压信号输出。将这个电压信号放大检测,便可以驱动各种控制电路,如做人体跟踪、电源开关、自动监测以及自动化控制。同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。

构成热释电红外传感器。HC—SR501 的参数列表如表3-1所示。

表 3-1   HC—SR501 的参数

参数名

参数值

工作电压范围  

直流电压 4.5-20V

静态电流  

<50μA

电平输出  

高 3.3V/低 0V

触发方式

L 不可重复触发/H重复触发

延时时间

5-200S(可调),可制作范围 0.1s-30min

封锁时间

2.5S(默认),可制作范围 0.1s-60s

电路板外形尺寸

32mm*24mm

感应角度

110 度锥角

感应距离

7m

工作温度  

-15-+70 度

BISS0001是一个具有较高效率的传感信号处理集成电路,包括热释电红外传感器和少量外接元器件构成的热释电红外开关。能自动快速开启各类家用设施。

比如白炽灯、电风扇、荧光灯、警报器、自动门和烘干机等装置,特别适用于家庭、库房、机房、校园的过道、走廊等区域,或用于重点保护区域的照明灯光和报警系统[6]

   

4校园灯控系统的软件设计

  在校园智能灯控系统中,首先安装在教室上的传感器进行数据采集,主要信息是热释电红外传感器检测到的信息,传感器将得到的信息传输到树莓派中,树莓派根据信息发送开关灯的指令,然后控制开关模块对教室灯进行操作。

4.1 热释电红外传感

热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成,红外感应源通常采用热释电元件,当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时,在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷,所以,正负电荷相互抵消,回路中无电流,传感器无输出。在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

图1热释电红外传感器工作结构

4.2软件系统实现

软件程序使用树莓派集成开发环境技术平台的相关技术进行开发,为校园灯控管理人员提供简易的图形化界面,通过与硬件系统的交互,实现校园灯控的可视化操作,检测程序是使用人体红外检测数据,保存数据进行二次检测,同时进行电流检测,将结果结合来判断教室是否亮着无人灯。软件系统的实现主要包括监控和操作。

4.2.1 Python

Python是一种面向对象具备动态数据类型的解释性语言,你所编码的脚本 或程序可以直接运行,而不需要类似其他语言把它们先编译成机器码。这样使用 起来非常便捷。Raspberry Pi上也提供了与Python绑定在一块的集成开发环境 IDLE。

开始编写校园智能控制程序前需要对树莓派计算机的相关Python的库文件进行 安装设置,首先是GPIO,打开LX终端(LXTerminal),更新apt-get软件安装包 列表(注意必须要在网络连接正常情况下),然后执行安装命令来安raspberry -gpio-python包。在安装完成Python的GPIO库后,接下来是安装Python的UART库 ,和上述之前步骤相似,更新apt-get软件安装包列表,后安装Python的串口通信模块.

4.2.2 检测数据处理

通过对电流的检测,当检测数据得出已开灯时,此时再通过人体红外检测,得到数据判断是否有人,如果有人,则灯继续亮着,如果没人,则向监控主界面发出提醒,提示教室里开的是无人灯。
4.2.3监控主界面

  主界面主要包括两个主要指示和操作,教室灯状态和教室人员状态:我们可以清晰的看到教室灯是否开着、教室是否有人。

4.2.4操作双控开关

  自动关灯:如果教室没有人而且灯却开着的状态,则自动关灯。为了防止热释电红外传感模块出错,有一个选项可以关闭自动关灯。

 手动开灯关灯:可以实现电脑(手机)远程控制树莓派进行开灯关灯操作。

5 创兴点与实际应用

5.1创新点:

对传统的无线控制模块进行改进,使用树莓派构架服务器进行网络控制LED灯。相对于传统的校园控制系统,本文提出的方法更加简单便捷且能实现相同的功能。

5.2实用性:

本文设计的基于热释电红外传感器的校园智能灯控系统有效的降低传统校园照明的电能浪费,同时也节省了管理资源,大大的降低了人力资源的使用。

6总结

本文设计了一种基于树莓派的高校教室智能灯控系统,以实现教室照明灯的智能控制。本文通过深入研究远程监控系统架构,应用了适用于该系统的双控技术,提出了一种新的远程监控系统,可以对教室的照明使用灯实施控制,对夜间照明系统和照明灯进行实时监控和管理,弥补了传统监控系统的不足,确保高效稳定、全天候运行,控制不必要的“全夜灯照明”,有效节约电能消耗。

参考文献

[1]姜静静.LED智能灯远程控制管理系统的研究与设计[D]. 吉林:吉林大学, 2013

[2]邵永星.基于热释电红外传感器的停车场智能灯控系统设计[D]. 河北:河北科技大学, 2013

[3]李彬彬.基于Zigbee的高校教室智能照明控制系统的研究[D]. 黑龙江:哈尔滨商业大学, 2012

[4]舒希勇.基于总线的智能教室控制系统的设计与研究[D]. 江苏:江南大学, 2009

[5]周顺, 张西红,李永浩.基于ZigBee的城市战红外人体探测系统. 河北工业科技, 2011, 125(01):7-11.

[6] 杨永刚.基于单片机的太阳能热水器控制系统的实现[D],陕西:西安科技大学.2013年