2024年4月17日发(作者：)

专题

IGITCW

技术

Special Technology

基于STM32的智能灯光控制系统

王逸阳，曾祥珂，曹　昱，朱建光

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110000）

摘要：使用摄像头、照度传感器、Buck直流降压驱动电路设计了一套教室智能调光系统，实现根据人员位置对教室内

的灯光照度自动调节。使用DIAlux软件进行仿真，验证系统能够满足教室对于照度的要求，并达到节约能源的目的。

关键词：STM32单片机；人像检测；智能调光系统

doi：10.3969/.1672-7274.2021.05.031

中图分类号：TN802 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2021）05-0074-03

Intelligent Light Control System Based on STM32

WANG Yiyang, ZENG Xiangke, CAO Yu, ZHU Jianguang

(Shenyang University OF Technology, Shenyang 110000, China)

Abstract

：

Using the camera, the illuminance sensor, and the Buck DC step-down circuit, a set of classroom intelligent

dimming system is designed to realize the automatic adjustment of the lighting illuminance in the classroom according to the

position of the personnel. Use DIAlux software for simulation to verify that the system can meet the requirements of the

classroom for illuminance and achieve the goal of saving energy.

Keywords

：

STM32 Single-Chip Microcomputer; human image detection; intelligent dimming system

0 引言

当今社会，人类社会的进步越来越依赖于资源的开

发与利用，与日俱增的能源需求和有限的资源数量形成

了巨大的矛盾，在此背景下，节能无疑是符合可持续发

展要求且“可以从身边做起”的选择

[1]

。据中国电力企

业联合会发展报告公布，2018年全年社会用电量为6.84

万亿千瓦时，同比增长8.5%。2019年上半年全国用电量

同比增长5.5%

[2]

。其中，建筑照明能耗已成为一个国家

总能耗的重要组成部分。我国照明能耗约占全国总能耗

的 12%～20%，因此，减少照明能耗对节能减排具有重

要意义

[3]

。

目前，在国内的高等院校中，教室的分配主要由教

务部门安排，教室的管理与维修主要由后勤部门负责，

这种管理方式容易造成教室管理的空白

[4]

。这就增大了

对教室管理的困难以及容易出现长明灯的现象。

推广教室智能灯光调节系统能够有效的节省电力资

源，可以使教室内的亮度符合国家标准，保护学生的眼

睛；还能够根据有效学生人数及分布情况智能调整灯的

明暗，有效提高日光灯的使用寿命。

J.A. Lynes在文章A sequence for daylighting design

中介绍了一种利用天顶照度测量室内照度的方法

[5]

。侯

贺在文章《室内墙面照度传感器布置方法及照明调光控

制系统的研究》中提出了在墙面安装照度传感器测量桌

面照度的方法，并阐述了灯光调节的原理

[6]

。

作者简介：王逸阳（2000-），男，汉族，江苏省连云港人，本科在读。

曾祥珂（2000-），男，汉族，辽宁省辽阳人，本科在读。

曹 昱（1999-），男，汉族，辽宁省锦州人，本科在读。

等人在文章Design an Analysis of Dimming Electronic

Ballast中提出了一种开关占空比的调光方法

[7]

。杨思源

在《结合天然采光与灯具调光的办公室智能照明控制策

略研究》一文中使用DIAlux软件、结合自然光进行仿真，

得出了适合不同天气的调光方法

[8]

。现有的智能灯光调

节系统大多应用于智能家居领域，极少有针对教室灯光

调节的研究，且尚未发现有根据教室人数分布调节灯光

的探究。

1 项目原理

该项目由信号端、控制端、终端组成。信号端由高

清摄像头和照度传感器组成。摄像头用于采集教室内

部图像并识别教室内人员数量及分布情况，控制端由

STM32F429进行信号处理。通过信号端传来的数据，使

用算法计算得到教室内区块人员数量及分布情况。光传

感器将采集到的光照信号传递到接收端进行汇总处理，

采集终端传来的信号后，对教室内每个光源进行调节控

制。终端分为两套控制系统，分为人工及智能控制系统。

人工控制以防出现程序失控及其他突发状况。智能控制

主要由STM32F429进行，用于向控制端传输控制面板上

的控制要求或将测量工具的一些测量值传入控制端。系

统流程框图如图1所示。

工作流程的实现过程如下：假如判断教室内有人进

入后，教室内灯光预先打开，在确定人员固定位置后，

朱建光（1970-），男，汉族，辽宁省沈阳人，副教授，研究方向为智能检测及控制技术。

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DIGITCW

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调整教室灯管工作状态。通过优化光照补偿算法、在桌

面安装照度传感器以更加精准的测量教室内照度确保人

员用光适宜且节能。在夜里，人工可以设置系统关闭时

间段，降低能源消耗。

图1 系统流程框图

本产品使用主从一体蓝牙模块HM-10进行通信。根

据产品手册，基于单片机串口通信协议书写蓝牙通信程

序，以电脑、手机作为上位机，使用AT指令对蓝牙进

行主从机、连接等配置最终实现单片机之间的无线通信。

在使用中主机向从机发送灯光调控命令，从机向主机发

送照度传感器数据形成小型物联网，通过实时自动调控，

最终实现教室内照度的恒定。

人像识别核心算法步骤如下：

第一步，拍摄一张当前场景下的空教室照片并存入

设备。

第二步，工作实时拍摄教室当前照片并与空教室照

片进行图像减法实现人像分离。

第三步，应用模糊C均值算法对图像进行二值化处

理，并对图片进行腐蚀，膨胀及闭运算，使得轮廓更光滑，

人像更突出。

第四步，对图片进行轮廓提取，判断人像轮廓并计

算轮廓中心。

第五步，得到人像中心坐标并写入数组从模块中输

出。

在终端接收到摄像头返回的人像坐标后，系统调用

安装在桌面上的照度传感器对有人位置的桌面照度进行

测量。测量完成后将当前照度与设定照度进行比对，若

当前照度不满足设计要求，则进行灯光照度调节。

图2 直流降压驱动电路

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DCW

如图2所示的直流降压驱动电路实现了输出电压调

节，进而实现了灯光照度调节。

调光电路由自主设计直流电源，调压电路、LED日

光灯三部分组成，其中直流电源具有优势在于体积小，

功耗低等特点。调压电路为功率MOSFET晶体管、二极

管、电感、电容、STM32微控制器构成的Buck降压斩

波电路。该电路的输出电压取决于STM32微控制器输出

PWM波的占空比，占空比越高输出电压越高。Buck降

压斩波电路实现了LED日光灯两端电压的线性调节。本

电路实现了PWM输出控制，既实现了调压，又降低了

电源电路输出功率。

2 智能调光系统仿真结果

灯光仿真测试：智能灯光控制系统使用基于对象和

属性的建模方法，通过比较不同环境不同开启状态下灯

光照度的情况，评估何种光照情况能达到既满足照度需

求又节约能源的作用。

实验环境：DIAlux仿真软件。实验中的控制变量为

教室的桌椅排布情况，灯光的摆放情况，同一时刻的日

照的照度情况

[9]

。

仿真环境为一个长9 m、宽7.2 m、高3.5 m的教室，

教室内灯具安装高度为3 m、课桌高度为0.72 m。在天

气为标准阴天时教室照度情况如图3所示，不难发现教

室大部分桌面照度均不满足国家标准规定的300 lx

[10]

。

图3 标准阴天条件下教室照度情况

现假设摄像头检测到有人位于图中1号桌，stm32通

过蓝牙模块接收到人像信息开始调光。调光结果如图4

所示。

图4 灯光调节后的照度情况

根据仿真结果可知，1号桌的平均照度为280 lx，接

近国家标准。由上述仿真实验可知，该系统已经能够满

足根据人数分布情况调节灯光的需求，且达到了既满足

学生需要的照度又能节约能源的目的。

（下转第228页）

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数字通信世界

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技术

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应用

Technology Application

署做好数据准备。

图3 设备工艺系统与BIM结合形成信息联动

图2 基于物联网技术实现环保监测数据平台展现

3 结束语

总之，基于BIM的设计、智能化施工管控与建设管

理平台的有效联动，通过实践数字化新技术，改善原有

项目实施的操作与管理方式，实现高于并优于原有项目

的效益。最终通过基于BIM的技术赋能，将信息技术成

果进行数字化资产交付，为后期与项目运营生产系统对

接提供可靠依据，实现基于BIM的智慧化运行管理体系。

未来，数字化必将作为新的业态，为传统工程设计与建

设赋能，为全生命周期的建设工程赋予新的价值与定义。

工作业人员的证件信息进行采集，并通过现场拍照打卡，

以及门禁闸机识别功能，对后台数据信息与真实照片进

行比对，防止冒名顶替、身份信息造假、超龄上工等现

象的发生。通过工地上的大数据中心，能准确收集到项

目现场人员的相关信息，消除数据孤岛，对数据进行综

合分析，对工地实名制管理、考勤管理、防疫管理提供

更为高效合理的管控手段和决策依据。

（2）设备管理系统。针对水厂工程设备的特殊性和

对水厂运行的重要性，本项目基于全场工艺设备的全生

命周期信息作为管理重点，通过管理平台将设备名录和

设计BIM模型进行匹配，并在订单采购、发货通知、到

场接收以及安装验收等信息进行真实数据采集，通过全

流程进行精细化管控，确保设备资料的完整性和准确性，

以三维可视化和设备台账信息相关联，作为设备大数据

的信息集成。同时为每台设备制作惟一标识的二维码，

通过电子终端扫码实现设备信息的随时查询和维护，为

本工程的全数字化资产移交以及智慧水厂的运维系统部

（上接第75页）

参考文献

[1] 关于推进建筑信息模型应用的指导意见[R]（建质函〔2015〕159号）.

[2] 2020上海市BIM技术应用与发展报告[R]（上海市住房和城乡建设管理

委员会）.

[3] 建筑信息模型设计应用标准，DB13（J）/T284-2018[S].

[4] 建筑信息模型施工应用标准，DB13（J）/T285-2018[S].

[5] 邓尤东.建筑企业数字化与项目智慧建造管理[M].北京：中国建筑工业

出版社，2020.

[6] 汪碧刚.大数据与城市治理——以青岛市市北区为例[M].北京：中国建

筑工业出版社，2017.

企业管理，2020（01）：7-8.

[2] 郑国恒，周瑶，张柯.高校教室灯光节能控制系统的设计[J].照明工程学

报，2010，21（02）：32-37.

[3] 王锦涛，嵇程，林凯，等.基于新型智能教室灯光控制系统的节能性研究

[J].信息与电脑（理论版），2017（8）：029.

[4] 王红曼，杜梦云.再议高校教室管理与服务[J].高校后勤研究，2019（06）：

24-26.

[5] J.A. Lynes. A sequence for daylighting design[J]. Lighting Research &

Technology，1979，11（2）：102-106.

[6] 侯贺.室内墙面照度传感器布置方法及照明调光控制系统的研究[D].重

庆大学，2012.

[7] ，，. Design an Analysis of Dimming Electronic

Ballast[J].IEEE Conference Publications，2010，27（5）：24-29.

[8] 杨思源.结合天然采光与灯具调光的办公室智能照明控制策略研究[D].

天津大学，2018.

[9] 杜汉民，何文杰，王忆.教室配光与智能控制设计[J].科技与创新，2021

（02

）：33-36.

[10] GB/T 36876-2018，中小学校普通教室照明设计安装卫生要求[S].

3 结束语

该项目结合人像识别算法，优化光补偿算法设计了

一套基于stm32微控制器的智能灯光控制系统。该系统

将使用摄像头、照度传感器实现了根据教室人员分布自

动调光的功能。经过仿真验证了本系统能够满足教室对

于照度的要求，做到了在满足正常照度需求的情况下对

能源的最大节约。在完成该项目之后，团队将依据此项

目进行进一步的拓展与改进，进一步精进人像识别算法

并最终与学校人脸库结合，完成自动课堂点名，自动签

到的功能。此外，项目进一步与学校安保系统和当地公

安系统的合作，建立完备的安防报警系统，在无人值守

的情况下第一时间了解教室动态。

参考文献

[1] 中电联发布2019-2020年度全国电力供需形势分析预测报告[J].中国电力

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