桂林市机电职业技术学校 桂林七星 541000
摘要：为了满足教育教学工作开展，当前信息技术、物联网技术得到了广泛利用。在部分课程教学和实验教学中需要对教室内部灯光加以调节，物联网技术与教学的结合促进了现代教学的智能化建设，其中灯光智能调节系统可以根据实际需要改善教学环境，推动教学工作高质量开展。本文从物联网技术的内涵和利用入手，讨论教室照明设施使用问题，并分析如何在物联网下设计教室灯光智能调节系统，希望对相关研究带来帮助。
关键词：物联网；教室；灯光智能调节系统
当前我国面临着较为严重的能源短缺问题，尤其是高校普遍存在着电力资源浪费情况。高校是学生学习的重要场所，然而随着人员出入频繁，无法做到人走断电，甚至图书馆和教室存在白天全天开灯情况，由此导致电力浪费，并且缩短了灯具的使用寿命。
一、物联网技术的内涵和利用
物联网技术依赖于互联网技术的支持，也就是对互联网的延伸和扩展，进而实现万物相连，满足信息交换和传输需要。通过射频识别、全球定位系统、红外感应器、激光扫描等信息传感设备，并按照规定协议进行信息传输，以此对物体智能化识别、监控、跟踪、定位。在当代社会发展中，物联网技术利用范围越来越广，推动了智慧交通、智慧医疗、智慧家居的发展，同样也对教育领域起到了促进作用。
二、教室照明设施使用问题
当前全社会对教育问题高度重视，尤其是高校不断加强基础设施建设，为学生学习和教研工作开展提供了良好环境。通常高校学生自习没有固定教室，并且人员进入教室和离开教室时间不固定，可能出现长明灯情况。现如今，高校普遍提倡学生随手关灯，号召节约电能，但是依然未能达到预期目标。目前影响学校教室照明的因素主要包括教室人数、作息时间、照明强度，需要根据教室的实际情况进行系统设计。然而高校的灯具数量大，如果长期不关灯会导致大量电力资源浪费。据统计，高效电费支出约占管理费用支出的20%。如果做好用电管理工作将大大节约管理成本[1]。
三、系统总体构成
（一）系统总体设计
教室智能灯设计将单片机作为核心控制器，对教室区域加以控制。整体设计使用电力串口联通电源，确保在正常电压供应下运转整个系统的不同区域，安装人体感应传感器以及光传感器，根据室内光照强度、人员流动情况将相关数据传入单片机。然后将各区域单片机的数据整合并，通过Wi-Fi上传到网络中实现监控，该系统下可以考虑不同区域人员的流动情况以及光照强度变化，实现了电力资源的合理利用。
（二）区域的划分
教室节能控制需要确保人员进入教室即可开启灯光，而无人时全部灯源关闭，这种操作模式具有一定效果，但是依旧不符合节能理念，所以需要根据不同时段光照进入教室的角度科学划分区域。高校教室除了满足学生学习，还可以为学生提供自学的环境。由于自习室内人员流动性较大，所以需要对教室分区管理，光频转换器以及红外热释电传感器的探测区域围绕器件本身，以探测距离为半径，避免信号未能覆盖全部区域[2]。
四、系统硬件电路
（一）设计思路
将单片机作为主控芯片，然后使用传感器对教室的室内外温度、室内亮度等环境数据采集，之后借助计算机视觉技术对教室内人数统计。利用时间API得到网络时间，然后利用继电器对教室内的设施加以控制。由于高校教师环境存在差异性，因此在硬件设计上主要以照明灯具、窗户窗帘、触控液晶屏为主。将采集的数据显示在触控液晶屏上，然后通过屏幕查看教室设施运行情况，这一过程中也可以利用手机在联网环境下远程观看。之后调查和统计设施用电使用情况，并根据采集的数据设计出内置算法程序，以此解决教室管理问题。
（二）系统硬件架构
选用STM32单机片作为控制核心，使用DHT11温度传感器对室内外的温度和湿度数据采集，分析室外降水情况借助雨滴传感器。在光强度分析上使用BH1750光强度传感器，人员位置确定使用热释电探测。为了保证室内人员安全还设置烟雾传感器，并根据温湿度环境确定是否存在明火，单片机控制显示屏利用步进电机丝杠控制窗户窗帘。
（三）网络模块设计
使用ESP32连接Wi-Fi实现网络传输，利用MQTT协议作为网络传输协议。当前ESP32是一种功耗低、性能高、价格低廉的优质产品，在智能教室管理系统中具有重要作用。
（四）交互设计
将传感器采集的信息加以整合，然后有关数据可在触控液晶显示屏上显示，优势在于可以省去不必要的开关按键，在一键控制下即可查看全部信息，操作十分便捷。在移动端可以使用微信小程序满足短时操作，并且整体开发流程简单。
五、系统软件设计
（一）系统总流程
系统通电之后进入自检程序，调用之前设定室内灯光强度，之后循环检测教室内的各项数据，单片机可以判断数据，然后对相应程序加以处理[3]。
（二）子程序
1灯光系统
系统需要关闭全部窗户窗帘，避免受其它光源干扰，之后对灯管的灯光强度标定测量灯管点亮状态下的数值。系统将测量后的数据写入内存当中，避免系统重启后标定数据。在灯光控制程序当中，控制过程如下：其一确定人员数量、人员位置，然后调整灯光亮度；其二，灯具持续照明并随环境变化调节亮度；其三，人员离开教室后熄灭灯具。
2窗户系统
温度、湿度和风力都会影响人体冷热感觉，但气温高低不能作为人体判断冷热感觉的唯一标准，通常室内的温湿度和开关窗的时间有直接关系，同时也需要考虑到风力大小，如果采取人工控制窗户开启闭合的方式，通常不能确保室内良好环境，加之每个人的冷热感觉存在差异，管理难度较大。所以在窗户系统设计中要求结合实际情况对数据调整。
3网络系统
STM32单片机将数据发送到Wi-Fi模块ESP32，然后将数据填写到数据协议当中，以此完成通信小程序解析协议，之后即可实现系统和移动端通信。
4其它
可以使用计算机视觉技术，利用运动分析法并结合目标的运动分析移动方向，比如是否进入或者走出教室，然后完成人数统计，该方法的优势在于不会侵犯个人隐私，能够使用电脑和摄像头分析进出教室的人数[4]。
六、节能分析
根据系统自身能耗以及灯光系统考虑节能性，系统自身使用的器件功耗较低。从软件层面讲，在不处于工作状态下即可进入休眠模式，进而达到降低能耗的目标。灯光系统节能需要根据教室实际情况考虑是否开灯、开灯位置和灯光亮度，进而达到控制目标。具体说来：其一是否开灯。系统能够获取教室内人数，以此分析是否需要开灯和亮度调节；其二，开灯位置。系统利用热释电传感应器分析灯光下是否存在人员，以此确定灯具点亮位置；其三，灯光亮度利用PMW调光技术对灯光亮度控制，通过以上措施有效降低能源无效损耗。
结束语：
综上所述，当前我国诸多高校打造了智慧教室系统，进而对电脑、投影仪等教学设备进行自动化管理，在物联网技术用于教育教学领域后有效推动了高校节能工作开展。需要设计人员全面分析教师环境，然后对物联网技术利用，以此降低电能，节约管理成本。
参考文献：
[1]张鹏义，刘昭君. 基于PLC控制的智慧教室物联网教学平台的设计[J]. 山东工业技术，2017，12(17):76.
[2]黄积雄，欧少敏，高. 智能教室管理系统研究[J]. 国外电子测量技术，2020，39(2):147-150.
[3]张道远. 基于无线网络下的户外球场灯光智能控制[J]. 现代信息科技，2020，4(12):54-56.
[4]李 亨. 基于亮度自动调节背景下的室内灯光电路设计[J]. 建筑工程技术与设计，2018，12(23):1314.