基于STM32的教室智能燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周康 張文斌 李帥 楊峰

摘 要：針對學(xué)校照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重、人為手動(dòng)控制不便的問題，對自動(dòng)控制和手動(dòng)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(jì)方案。文章從單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和基于Qt的上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并進(jìn)行了系統(tǒng)功能的分析，實(shí)驗(yàn)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：2095-1302（2016）06-00-04

0 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(dòng)控制裝置基本都采用被動(dòng)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(dòng)探測器，或雖有主動(dòng)探測器，但靈敏度不高，經(jīng)常出現(xiàn)教室無人時(shí)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(shí)現(xiàn)對全部教室的統(tǒng)一管理[1]。

同時(shí)，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(shí)限， 在白晝光線充足的情況下繼續(xù)使用照明燈具， 必然會(huì)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(gè)人，但教室里的所有照明燈都打開的現(xiàn)象，同時(shí)，教學(xué)樓物業(yè)管理人員每次晚自習(xí)閉樓時(shí)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(jì)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，利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)計(jì)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(shí)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(shí)自動(dòng)關(guān)燈、有人到來且光照不足時(shí)自動(dòng)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(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對教室照明的智能控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及工作方式

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(dòng)控制信號源四個(gè)部分。

結(jié)合圖1可知系統(tǒng)有自動(dòng)控制與手動(dòng)控制兩種工作方式。

1.1 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制信號源包括熱釋紅外傳感器、光敏傳感器和時(shí)鐘模塊。熱釋紅外傳感能夠感應(yīng)教室里是否有人，光敏傳感器感應(yīng)教室里的光照強(qiáng)度，時(shí)鐘模塊能夠提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年的信息。在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)且僅當(dāng)滿足如下條件時(shí)燈才會(huì)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(shí)間段。

1.2 手動(dòng)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(dòng)作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jì)成本[4]。

2.2 控制終端設(shè)計(jì)

控制終端的硬件原理框如圖2所示，可看出整個(gè)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(dòng)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(gè)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?yàn)殚_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(shí)僅為1.2 V），限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬（-40～125℃）[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(shí)，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(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，即單片機(jī)5V輸出電壓可以控制220 V交流電。

2.2.3 DS1302時(shí)鐘電路

考慮到本系統(tǒng)停電時(shí)需為時(shí)鐘電路提供電源，故采用具有充電能力的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。該芯片對年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5 V～5.5 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(shí)，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(shí)，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)人體的自動(dòng)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(jì)

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(jì)。CH340是一種USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口等功能，在本實(shí)驗(yàn)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(gè)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STM32F103RCT6的PA.9（U1_TX）、PA.10（U1_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(shí)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0～10 Mb/s，有125個(gè)可選工作頻道，且為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5個(gè)GPIO和1個(gè)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(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體上可分為教室控制終端軟件設(shè)計(jì)、串口轉(zhuǎn)無線模塊軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)控制終端軟件設(shè)計(jì)。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(jì)，同時(shí)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?，而國際上常用的計(jì)量單位是勒克斯。因此我們在室內(nèi)外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在光照相同的情況下同時(shí)用光照度計(jì)和光敏傳感器采集多個(gè)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(shí)擬合得到對應(yīng)關(guān)系：y=2.66×107x-1.68。由《國家建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50034-2004）知教室的光照度應(yīng)為150～300 lux，我們采用230 lux為光照閾值。當(dāng)光照度大于230 lux時(shí)，則認(rèn)定教室光照充足。

3.2 教室控制終端的程序設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)

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(shí)現(xiàn)手動(dòng)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)和手動(dòng)兩種模式。自動(dòng)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(dòng)判斷是否開關(guān)燈；手動(dòng)模式則可以按照管理員的意愿自由實(shí)現(xiàn)開燈和關(guān)燈的操作，遠(yuǎn)程操控給管理員帶來了極大地便利。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所有準(zhǔn)備工作做好以后，我們在一間5 m × 6 m的教室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其模型如圖9所示。

將教室化為4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有一組傳感器。一組傳感器包括一個(gè)熱釋紅外傳感器和一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）自動(dòng)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(dòng)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(shí)間后，A區(qū)域的燈熄滅，B區(qū)域的燈依舊亮著。

（3）自動(dòng)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(yàn)，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(dòng)控制模式。區(qū)域A、B、C和D的燈能夠根據(jù)上位機(jī)的操作打開或者關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在自動(dòng)控制模式下當(dāng)且僅當(dāng)滿足教室里有人；教室內(nèi)光照不充足；教學(xué)樓開放的時(shí)間段條件時(shí)燈才會(huì)打開。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了教室無人或者光照充足時(shí)或教學(xué)樓關(guān)閉時(shí)間段自動(dòng)關(guān)燈，有人到來且光照不足時(shí)自動(dòng)開燈的功能，并且實(shí)現(xiàn)了PC上位機(jī)控制端控制每個(gè)教室的照明燈。上位機(jī)可以方便教學(xué)樓管理人員開啟與關(guān)閉教室的照明燈，同時(shí)也可以統(tǒng)計(jì)教室使用率，統(tǒng)計(jì)學(xué)生上課和自習(xí)的情況等。

以西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)教學(xué)樓為例介紹本系統(tǒng)的節(jié)能效益。全教學(xué)區(qū)約有C=297個(gè)教室，按照平均每間教室18盞燈計(jì)算，得總盞數(shù)c=5 346盞；學(xué)生在早晨7點(diǎn)到晚上22點(diǎn)30分使用照明燈，假設(shè)平均每天浪費(fèi)電能的時(shí)間為t=1小時(shí)；一根照明燈管的工作功率P=40 W，每一盞燈包含m=2根燈管；一年用電天數(shù)y=270天（除去寒暑假期）；據(jù)陜西省物價(jià)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，陜西電網(wǎng)居民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電價(jià)格為p=0.498 3 元/度。計(jì)算一年時(shí)間西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)教學(xué)樓用本系統(tǒng)可節(jié)約電能為：W=P×m×c×t×y÷1 000=115 473度，節(jié)約電費(fèi)M=W×p=57 549元。由此可知，此系統(tǒng)有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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