基于STM32樓宇智能照明及安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李大海 祁康樂

摘? 要：根據(jù)樓宇照明及安防系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合人們對(duì)照度、色度的需求，以及自然光的優(yōu)化利用，設(shè)計(jì)了綠色、健康、節(jié)能的樓宇智能照明及安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為處理核心、通信網(wǎng)絡(luò)和用戶控制終端三個(gè)部分，以STM32F103ZET6為核心MCU，采用UCOS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，利用無線射頻技術(shù)及WIFI技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)用戶終端APP控制程序，實(shí)現(xiàn)了樓宇智能照明及環(huán)境監(jiān)測(cè)無線控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：樓宇照明;STM32;UCOS-III;NRF24L01

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）09-0027-03

Abstract： According to the characteristics of building lighting and security system， combined with people's demand for illumination and chromaticity， as well as the optimal use of natural light， a green， healthy and energy-saving building intelligent lighting and security system is designed. The system is divided into three parts： processing core， communication network and user control terminal. the MCU， with STM32F103ZET6 as the core is developed by UCOS-III real-time operating system， and the system communication network is constructed using radio frequency technology and WIFI technology. The APP control program of user terminal is designed， and the wireless control system of building intelligent lighting and environmental monitoring is realized.

Keywords： building lighting; STM32; UCOS-III; NRF24L01

樓宇智能照明系統(tǒng)是當(dāng)今低碳、綠色和以人為本概念下的典型產(chǎn)物，它的進(jìn)步與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密不可分。物聯(lián)網(wǎng)概念的提出已經(jīng)有十余年的歷史，并在世界范圍內(nèi)引起越來越高的關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)從無到有，從有到優(yōu)。物聯(lián)網(wǎng)不再僅僅是人們的設(shè)想，國(guó)內(nèi)己經(jīng)有了很多與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，樓宇智能照明就是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的典型應(yīng)用之一。樓宇智能照明至今在中國(guó)已經(jīng)歷了近6年的發(fā)展，逐漸走向成熟。樓宇智能照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也推動(dòng)了智能照明系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步。同時(shí)，各種新型照明光源的成功發(fā)明和廣泛應(yīng)用，比如LED和CCFL，做為樓宇智能照明系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，為其提供了更多、更好的光源選擇。

智能照明系統(tǒng)還處于發(fā)展初期，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際上，智能照明行業(yè)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)更令人堪憂的一點(diǎn)是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，智能照明，尤其是樓宇智能照明，在整個(gè)智能家居產(chǎn)業(yè)所占的比重還很低。因此，樓宇的智能照明系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間。

1 整體設(shè)計(jì)

本研究針對(duì)樓宇照明，設(shè)計(jì)一套完整的智能控制系統(tǒng)，主要研究樓宇智能照明的控制方法，尤其強(qiáng)調(diào)樓宇照明和家居照明的不同處，即樓宇的公共部分（走廊、樓梯等）照明的控制方法，設(shè)計(jì)樓宇照明的自動(dòng)調(diào)光功能、場(chǎng)景模式切換功能和樓宇照明分區(qū)域整體控制功能，達(dá)到了綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)目的。同時(shí)研究樓宇智能照明系統(tǒng)的組網(wǎng)和通信方案，為了更好地實(shí)現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)理念，本設(shè)計(jì)考慮了人們的用眼習(xí)慣，設(shè)計(jì)了除了照度以外其他照明因素的調(diào)節(jié)功能。提倡使用自然光源，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)外界光照環(huán)境，將其作為控制參數(shù)。最后，我們利用ARM技術(shù)、NRF24L01技術(shù)、WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上述方案，設(shè)計(jì)了基于NRF24L01技術(shù)節(jié)點(diǎn)物理地址的分配規(guī)則，對(duì)樓宇實(shí)際位置進(jìn)行了相應(yīng)編碼，這樣，解決了建立樓宇實(shí)際位置和節(jié)點(diǎn)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系問題。使用戶可以方便對(duì)樓宇內(nèi)具體位置的照明情況進(jìn)行控制。采用嵌入式開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形界面編程技術(shù)和單片機(jī)開發(fā)技術(shù)，按照設(shè)計(jì)需求編寫了系統(tǒng)程序。并且設(shè)計(jì)各功能模塊的原理圖，利用Altium Designer繪制了PCB。最后，通過串口、NRF24L01無線網(wǎng)絡(luò)等將各個(gè)模塊組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)樓宇智能照明及安防系統(tǒng)的各功能模塊樣機(jī)，如圖1所示。

2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸工作。裝有傳感器的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、預(yù)先處理以及與匯聚節(jié)點(diǎn)也就是物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)的通信工作。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起與維護(hù)，數(shù)據(jù)的接收和上傳工作。

系統(tǒng)是以STM32F103ZET6為核心MCU，采用UCOS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，大大增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性，STM32最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

外設(shè)接口電路主要包含的單元有：無線射頻模塊，WiFi模塊，熱釋電傳感器，溫濕度傳感器，有害氣體傳感器，外設(shè)接口電路如圖3所示。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在電源電路的設(shè)計(jì)上采用專用的降壓穩(wěn)壓模塊MP1584EN，電源電路如圖4所示。

遙控器的功能按鍵可分別控制各個(gè)燈的開關(guān)及模式的選擇，搖桿控制燈的亮暗。以STC12C5

A60S2作為主控芯片，其內(nèi)部自帶高速AD轉(zhuǎn)換器及PWM等外設(shè)滿足開發(fā)要求。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)按鍵以及搖桿變化，打包成數(shù)據(jù)包，通過NRF24L01以每包200ms速度進(jìn)行發(fā)送。功能概述：可以通過NRF24L01遠(yuǎn)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)控制各燈開關(guān)及亮暗，如圖5（a）所示?？梢酝ㄟ^ESP8266無線模塊與手機(jī)APP網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制各燈開關(guān)及亮暗，并在APP上實(shí)時(shí)顯示燈開關(guān)狀態(tài)、亮度信息、安防狀態(tài)、環(huán)境信息。系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在TFT彩屏上，可直接監(jiān)測(cè)，如圖5（b）所示。

3 控制端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用多個(gè)任務(wù)，不同任務(wù)有不同的優(yōu)先級(jí)，通過任務(wù)調(diào)度方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，通過信號(hào)量、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志組進(jìn)行任務(wù)間通信。系統(tǒng)整體流程如圖6所示。

（1）優(yōu)先級(jí)1任務(wù)：實(shí)時(shí)檢測(cè)NRF24L01是否接收到數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至事件標(biāo)志組，等待處理。

（2）優(yōu)先級(jí)2任務(wù)：任務(wù)處于阻塞狀態(tài)，如果任務(wù)請(qǐng)求到發(fā)送數(shù)據(jù)命令，ESP8266將當(dāng)前狀態(tài)信息打包發(fā)送至手機(jī)APP。

（3）優(yōu)先級(jí)3任務(wù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ESP8266是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝發(fā)送至消息隊(duì)列，繼續(xù)接收。消息隊(duì)列有20級(jí)深度，可存放20條消息，等待系統(tǒng)處理。

（4）優(yōu)先級(jí)4任務(wù)：請(qǐng)求ESP8266消息，如果請(qǐng)求成功，處理ESP8266消息，并發(fā)送事件標(biāo)志位。

（5）優(yōu)先級(jí)5任務(wù)：任務(wù)處于阻塞狀態(tài)，請(qǐng)求事件標(biāo)志組，如果請(qǐng)求成功或阻塞時(shí)間到，立即判斷事件標(biāo)志位，進(jìn)行執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

（6）優(yōu)先級(jí)6任務(wù)：進(jìn)行溫濕度檢測(cè)監(jiān)測(cè)，環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)，人體感應(yīng)監(jiān)測(cè)，并在TFT彩屏顯示當(dāng)前狀態(tài)信息。

（7）優(yōu)先級(jí)7任務(wù)：當(dāng)各任務(wù)均處于掛起或等待狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入本任務(wù)，用于統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行空閑時(shí)間。

安卓APP功能：采用java語言進(jìn)行APP編寫，將手機(jī)連至WiFi，與ESP8266進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，可通過虛擬按鍵控制各燈的開關(guān)及亮暗，以及防盜模式的開關(guān)，并實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)傳來的信息進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，采用主從應(yīng)答模式，如果主機(jī)或從機(jī)沒有接收到信息，則判定數(shù)據(jù)丟失，再次發(fā)送數(shù)據(jù)。如果主（從）接收到數(shù)據(jù)之后立即發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從（主）判斷應(yīng)答信號(hào)之后再進(jìn)行相應(yīng)操作。用戶通過手機(jī)端APP軟件連接局域網(wǎng)與硬件系統(tǒng)進(jìn)行匹配，如果匹配成功頁面會(huì)自動(dòng)顯示硬件信息。通過軟件button分別控制5個(gè)LED燈的開關(guān)、亮度、安防模式開關(guān)。實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度、空氣質(zhì)量信息并在超標(biāo)時(shí)進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)安防模式開啟時(shí)，傳感器開始檢測(cè)，如果檢測(cè)到異常，實(shí)時(shí)報(bào)警并上傳至頁面。手機(jī)APP控制主界面如圖7所示。

4 結(jié)束語

隨著人們對(duì)照明的舒適性和個(gè)性化要求越來越強(qiáng)烈，基于無線智能控制的個(gè)性化、舒適性節(jié)能照明終將會(huì)迎來快速發(fā)展的時(shí)代。本系統(tǒng)完成了樓宇智能照明終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、無線通信網(wǎng)絡(luò)的搭建、手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶的個(gè)性化的舒適性節(jié)能照明及安防需求。系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，進(jìn)一步調(diào)試完善后可實(shí)際應(yīng)用到樓宇智能管理中。

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