基于STM32的教室智能燈控系統(tǒng)設(shè)計

1、精品資料摘 要：針對學(xué)校照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重、人為手動控制不便的問題，對自動控制和手動控制相結(jié) 合的教室照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。提出了一種以 stm32 芯片為核心、采集多種傳感器信號 的控制終端，然后把每間教室的控制終端組成網(wǎng)絡(luò)接入上位機(jī)的智能燈控系統(tǒng)設(shè)計方案。文章 從單片機(jī)硬件設(shè)計、單片機(jī)程序設(shè)計和基于 qt 的上位機(jī)控制程序設(shè)計三方面詳細(xì)介紹了系 統(tǒng)。最后達(dá)到了遠(yuǎn)程控制、節(jié)約用電、提高資源利用率的目的。經(jīng)過控制變量法的實驗驗證， 并進(jìn)行了系統(tǒng)功能的分析，實驗結(jié)果和預(yù)期效果一致。關(guān)鍵詞：智能燈控；多傳感器；單片機(jī)；上位機(jī)；遠(yuǎn)程控制中圖分類號： tp277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： a 文章編號： 2095

2、-1302（ 2016）06-00-040 引 言 隨著我國教育業(yè)的發(fā)展，學(xué)校照明用電量急速增加，電能損失也呈現(xiàn)出增大的趨勢。目 前，國內(nèi)外照明自動控制裝置基本都采用被動的人體感應(yīng)探測、可見光探測、熱釋電紅外探 測、聲音探測等方法，但這些均存在一定的不足1。首先是方式單一，沒有主動探測器，或雖有主動探測器，但靈敏度不高，經(jīng)常出現(xiàn)教室無人時照明燈卻一直工作以及有人情況下燈卻熄 滅的情況；其次，此類系統(tǒng)比較分立，網(wǎng)絡(luò)化程度不高，無法實現(xiàn)對全部教室的統(tǒng)一管理1。同時，國內(nèi)大、中、小學(xué)校教室以及公用區(qū)的照明燈具控制大多采用普通開關(guān)， 即使學(xué)校進(jìn)行嚴(yán)格管理， 仍不可避免地出現(xiàn)忘記關(guān)燈的現(xiàn)象，特別在白天情

3、況下更是如此， 從而造成了大量的能源浪費(fèi)。此外， 各種照明燈具都具有一定的使用時限， 在白晝光線充足的情況 下繼續(xù)使用照明燈具， 必然會縮短各種燈具的使用壽命1-3。以西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)教學(xué)樓為例，經(jīng)常出現(xiàn)教室里空無一人或者只有一兩個人，但教室里的所有照明燈都打開的現(xiàn)象，同 時，教學(xué)樓物業(yè)管理人員每次晚自習(xí)閉樓時需要一間一間去關(guān)燈，勢必造成電能和人力資源的 浪費(fèi)。為了更好地達(dá)到節(jié)能降耗、提高智能化程度、減輕管理員工作負(fù)擔(dān)的目的，設(shè)計了基于 stm32的教室照明智能燈控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，禾U用光敏電阻檢測室內(nèi)不同地方的光照強(qiáng) 度，利用紅外熱釋電傳感器檢測人體，采用以stm32單片機(jī)為核心設(shè)

4、計具有數(shù)據(jù)采集和處理裝置功能的控制終端，而每間教室的控制終端接入基于qt實現(xiàn)的上位機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)在教室無人或者光照充足時自動關(guān)燈、有人到來且光照不足時自動開燈的功能，物業(yè)管理員可以 查看每間教室的照明情況，通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制關(guān)閉教室照明，采取自動和手動相結(jié)合的方式 實現(xiàn)對教室照明的智能控制。1 系統(tǒng)整體設(shè)計及工作方式系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖 1所示，主要包括 pc 上位機(jī)控制端、串口轉(zhuǎn)無線模塊、教室控制 終端和傳感器等自動控制信號源四個部分。結(jié)合圖 1 可知系統(tǒng)有自動控制與手動控制兩種工作方式。1.1 自動控制 自動控制信號源包括熱釋紅外傳感器、光敏傳感器和時鐘模塊。熱釋紅外傳感能夠感應(yīng)教室

5、里是否有人，光敏傳感器感應(yīng)教室里的光照強(qiáng)度，時鐘模塊能夠提供秒、分、時、日、周、 月、年的信息。在自動控制模式下，當(dāng)且僅當(dāng)滿足如下條件時燈才會打開：（1）教室里有人；（2）教室內(nèi)光照不充足；（3）教學(xué)樓開放的時間段。1.2 手動控制用戶可以在 pc 上位機(jī)控制端的操作界面上對教室內(nèi)的照明燈進(jìn)行控制，比如對某間教室 的燈進(jìn)行開關(guān)，或者對所有教室的燈統(tǒng)一開關(guān)。并通過串口轉(zhuǎn)無線模塊將用戶指令無線傳輸給 指定的教室控制終端，教室控制終端完成相應(yīng)的通斷動作。2 硬件電路設(shè)計 智能燈控系統(tǒng)硬件由教室控制終端和串口轉(zhuǎn)無線模塊兩部分組成。2.1 微處理器微處理器選用基于 cortex m3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃

6、存微處理器 stm32f103rct6作為控制核心。其豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，降低了設(shè)計成本4。2.2 控制終端設(shè)計控制終端的硬件原理框如圖2所示，可看出整個電路以stm32單片機(jī)作為控制核心，包含電源轉(zhuǎn)換模塊、繼電器控制電路、2.4 ghz無線傳輸電路和傳感器等自動控制信號源等。2.2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊電源分為市電電源 220 v;繼電器控制電路的 5 v電源；單片機(jī)等模塊的3.3 v電源三個部分。（1）市電220 v交流電主要給教室內(nèi)的照明燈供電，另一方面經(jīng)過降壓、穩(wěn)壓和整流后給 控制終端供電。（ 2）對于 5 v 電源部分，因為開關(guān)電源的尺寸遠(yuǎn)小于降壓穩(wěn)壓模塊電路，具有很好的輸

7、 出效果，輸出功率滿足系統(tǒng)工作要求，因此插座節(jié)點(diǎn)采用的供電方式為開關(guān)電源模塊供電。采 用220 v交流供電輸入，輸出 500 ma電流值的5 v電源4。（3）對于3.3 v電源部分，采用ams1117模塊進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，加入濾波電路，使電源轉(zhuǎn)換更平穩(wěn)。ams1117具有固定輸出電壓，低漏失電壓（1 a輸出電流時僅為1.2 v）,限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬（-40125 C） 4等特點(diǎn)。2.2.2 繼電器控制電路 4 繼電器是一種電控制器件,當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時,在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。本電路中繼電器可實現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，即單片機(jī)5v輸出電壓可以控制22

8、0 v交流電。2.2.3 ds1302時鐘電路 考慮到本系統(tǒng)停電時需為時鐘電路提供電源,故采用具有充電能力的實時時鐘芯片ds1302該芯片對年、月、日時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5 v5.5 v。2.2.4 光敏傳感器電路 光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為電量的傳感器。光敏電阻電路除了具有將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能外，還具有通過lm393芯片對電信號進(jìn)行放大的功能。在無光條件或者光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時，out端口輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過設(shè)定閾值時，out端口輸出低電平。光敏傳感器電路圖如圖 3所示。2.2.5 熱釋紅外傳感器電路熱釋紅外傳感器是基于紅外線技術(shù)的能夠感應(yīng)

9、人體的自動控制模塊。本文采用hc-sr501型號的傳感器,其采用德國原裝進(jìn)口 lhi778 探頭,具有靈敏度高,可靠性強(qiáng),超低電壓工作模式 的特點(diǎn)。2.3 串口轉(zhuǎn)無線模塊設(shè)計串口轉(zhuǎn)無線模塊的電路以stm32單片機(jī)作為控制核心，包含usb轉(zhuǎn)串口電路和2.4 ghz無線傳輸電路。2.3.1 usb轉(zhuǎn)串口電路usb轉(zhuǎn)串口電路如圖 4所示，該電路基于 ch340設(shè)計。ch340是一種usb總線的轉(zhuǎn)接芯片， 實現(xiàn)usb轉(zhuǎn)串口等功能，在本實驗中解決pc機(jī)的usb接口與單片機(jī)之間的通信問題。stm32f103rct6提供5個內(nèi)置的串口通信模塊，可方便地與ch340連接，采用兩線連接串口方式，分別將 stm3

10、2f103rct6 的 pa.9（u1_tx）、 pa.1 0（ u 1 _rx） 與 ch340 的 p4（rxd）、 p3（txd） 連接。p6（ ud+ ）、p7（ ud-）為usb差分信號。2.3.2 2.4 ghz無線傳輸電路nrf24l01 是 nordic 公司生產(chǎn)的一款無線通信芯片，可以實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)之間的無線數(shù)據(jù)通信或 是一對六無線數(shù)據(jù)通信，其無線通信傳輸速率為010 mb/s，有125個可選工作頻道，且為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5個gpio和1個中斷輸入引腳，適用于單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能4。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計整體上可分為教室控制終端軟件設(shè)計、串口轉(zhuǎn)無線模塊軟件設(shè)計、上位機(jī)

11、控制終端軟件設(shè)計。本文主要介紹教室控制終端和上位機(jī)控制終端的程序軟件設(shè)計，同時介紹光 敏傳感器采集的電壓值（adc采集）與光照強(qiáng)度（單位：勒克斯 /lux ）之間的對應(yīng)關(guān)系。3.1 電壓值與光照強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換 由于光面?zhèn)鞲衅鞑杉男盘柺请妷褐担鴩H上常用的計量單位是勒克斯。因此我們在室內(nèi)外進(jìn)行了實驗，在光照相同的情況下同時用光照度計和光敏傳感器采集多個樣本。本文主要 介紹室內(nèi)的情況。經(jīng)過matlab處理后得到圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)光照度與光敏傳感器adc值的關(guān)系，同時擬合得到對應(yīng)關(guān)系：y=2.66 X-1.67X由國家建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（ gb 50034-2004知教室的光照度應(yīng)為 150300 lux

12、,我們采用230 lux為光照閾值。當(dāng)光照度大于230 lux時，則認(rèn)定教室光照充足。3.2 教室控制終端的程序設(shè)計 控制終端的整體控制程序主要包括主程序、外部中斷。其中主程序主要負(fù)責(zé)時間、光照等數(shù)據(jù)的讀取和傳輸，教室控制終端程序流程圖如圖 6所示。外部中斷用于響應(yīng)上位機(jī)控制終端 通過串口轉(zhuǎn)無線模塊發(fā)送的操作指令；采用中斷的方式使節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確響應(yīng)外部操作命令，避 免因查詢法丟失用戶命令的情況出現(xiàn)。3.3 pc上位機(jī)控制終端的程序設(shè)計上位機(jī)控制終端的程序主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)部分，pc上位機(jī)控制終端程序流程圖如圖 7所示。其中發(fā)送數(shù)據(jù)部分負(fù)責(zé)通過串口轉(zhuǎn)無線模塊發(fā)送操作指令給下位機(jī)，主要實現(xiàn)

13、手動模式的開燈和關(guān)燈操作；接受數(shù)據(jù)部分負(fù)責(zé)采集單片機(jī)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并將其數(shù)字化， 以直觀的形式將燈光狀態(tài)和環(huán)境光強(qiáng)度進(jìn)行實時反饋，簡化了管理員的操作。3.4基于qt編寫的pc上位機(jī)軟件部分的上位機(jī)由管理員登錄界面和管理界面組成。本文主要介紹圖8所示的pc上位機(jī)管理界面。管理界面的左上方用于設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括串口、波特率、教室號等；左下方可以顯示當(dāng) 前時間便于提醒管理員；右面上半部分是當(dāng)前教室燈光狀態(tài)和光強(qiáng)的實時顯示；右面的下半部 分是功能選擇，可自由切換。其中功能包括自動和手動兩種模式。自動模式不需要人工干預(yù)， 能根據(jù)教室人數(shù)和光強(qiáng)自動判斷是否開關(guān)燈；手動模式則可以按照管理員的意愿自由實現(xiàn)開

14、燈 和關(guān)燈的操作，遠(yuǎn)程操控給管理員帶來了極大地便利。4 實驗驗證所有準(zhǔn)備工作做好以后，我們在一間5 m X 6 m勺教室進(jìn)行了實驗。其模型如圖9所示。將教室化為 4 個區(qū)域，每個區(qū)域都有一組傳感器。一組傳感器包括一個熱釋紅外傳感器和 一個光敏傳感器。區(qū)域內(nèi)的照明燈連接繼電器，繼電器連接到單片機(jī)。教室控制終端通過 nrf 無線通信連接到 pc 上位機(jī)端。實驗結(jié)果如下：(1) 自動控制模式。上午九點(diǎn)鐘，教室光照充足。從a點(diǎn)依次走過b點(diǎn)、c點(diǎn)及d點(diǎn)，燈 一直沒有打開。(2) 自動控制模式。上午九點(diǎn)鐘，拉上窗簾，教室光照不充足。從a點(diǎn)依次走過b點(diǎn)，區(qū)域a和b的燈都亮了。一段時間后，a區(qū)域的燈熄滅，b區(qū)域的燈依舊亮著。( 3)自動控制模式。和教學(xué)樓管理人員協(xié)調(diào)，晚上十一點(diǎn)半以后進(jìn)行試驗，從a 點(diǎn)依次走過b點(diǎn)、c點(diǎn)及d點(diǎn)，燈一直沒有打開。(4) 手動控制模式。區(qū)域