智能樓宇照明燈控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉榮市 張今朝 戴婷 苑大龍

摘? 要：針對國內(nèi)樓宇的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)控制及功能單一造成電能浪費(fèi)等問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的個(gè)性化智能照明控制系統(tǒng)，通過各照明環(huán)境需求分析進(jìn)行自動(dòng)控制，提供舒適的智能照明環(huán)境，同時(shí)也滿足了個(gè)性化照明需求。

關(guān)鍵詞：STM32 WiFi;物聯(lián)網(wǎng);照明燈控

中圖分類號(hào)：TU855? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0098-03

Abstract： Aiming at the problems of traditional lighting system control and power waste caused by single function in domestic buildings， this paper puts forward a personalized intelligent lighting control system based on the Internet of things， which can be automatically controlled by the analysis of the needs of each lighting environment，so as to provide a comfortable intelligent lighting environment and meet the needs of personalized lighting.

Keywords： STM32WiFi; Internet of things; lighting control

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們更加追求科幻電影般的情景式生活享受，對各類智能設(shè)備的需求也越來越大。其中智能照明系統(tǒng)與人們的生活辦公息息相關(guān)，而不同人群對照明環(huán)境也有個(gè)性化的需求。其中包括年輕人對燈光色彩變幻的追求，也有老幼人群對光照強(qiáng)度以及安全報(bào)警的功能需求，也有對殘障人士便捷地控制開關(guān)方式的需求等等。為了更科學(xué)可靠地滿足人們對美好生活辦公的需求，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入樓宇照明系統(tǒng)，通過對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的分析，結(jié)合現(xiàn)代樓宇的功能區(qū)域結(jié)構(gòu)，以STM32F103作為MCU，利用ESP8266進(jìn)行WiFi聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)配合各類傳感器和LED驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對樓宇內(nèi)走廊、電梯、辦公室、衛(wèi)生間等環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分設(shè)計(jì)包括STM32F103ZET6單片機(jī)的外圍電路，其中包括驅(qū)動(dòng)電源電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、程序下載電路、晶振電路、WiFi模塊數(shù)據(jù)傳輸接口以及其他相關(guān)接口以及相關(guān)的傳感器、WiFi模塊與STM32連接電路設(shè)計(jì)[1];軟件部分設(shè)計(jì)包括STM32單片機(jī)代碼編寫、機(jī)智云平臺(tái)提供的相關(guān)代碼的編寫以及Android手機(jī)APP的代碼編寫。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

由圖1可知，該智能照明系統(tǒng)采用各類環(huán)境傳感器、LED燈和驅(qū)動(dòng)芯片作為感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行。將WiFi模塊和路由器等通信設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)層，搭建智能照明系統(tǒng)的無線傳輸端，并與云平臺(tái)連接，完成數(shù)據(jù)傳輸;再由機(jī)智云平臺(tái)作為平臺(tái)層，主要對硬件平臺(tái)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括電壓信息的存儲(chǔ)、比較以及預(yù)警等功能;終端層則是由智能手機(jī)端或PC端進(jìn)行監(jiān)視與控制功能。通過以上設(shè)計(jì)使照明系統(tǒng)更加人性化、智能化，能夠滿足未來智能照明的要求[2-3]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用STM32F103ZET6為主控核心板如圖2所示，并配合WiFi模塊、溫濕度傳感器模塊、LED燈以及電源模塊。LED燈組端采用STM32F103單片機(jī)為核心處理單元，并通過各類傳感器和LED驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)辦公室、電梯間、走廊等環(huán)境的基礎(chǔ)照明功能。

2.1 WiFi模塊

在樓宇智能照明系統(tǒng)中，為了解決硬件與軟件的通信，將各個(gè)燈組傳感器所采集的信息上傳至服務(wù)器，故選用了ESP8266WiFi模塊。ESP8266模塊是一款串口轉(zhuǎn)無線模芯片，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時(shí)序信號(hào)等。這款芯片使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，而且價(jià)格超低。

本設(shè)計(jì)中采用ESP8266-01系列和STM32的串口進(jìn)行通信，將通過網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串行口發(fā)送給STM32單片機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時(shí)終端設(shè)備通過WiFi模塊接入云端，其中TXD和RXD引腳分別是WiFi模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端，它與STM32F103單片機(jī)的串口RXD和TXD相連，為遠(yuǎn)程控制提供了可能。其電路原理圖如圖3所示。

2.2 傳感檢測電路

系統(tǒng)主要用到光強(qiáng)檢測模塊和溫濕度檢測模塊。其中光線檢測電路的工作原理是利用半導(dǎo)體光敏材料的光量子作用，當(dāng)受到一定波長的光線照射時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。該模塊有三個(gè)引腳，分別是VCC、GND和信號(hào)輸出端。每個(gè)光電傳感器的信號(hào)輸出引腳分別連到STM32單片機(jī)的一個(gè)GPIO端口上。STM32單片機(jī)通過讀取ADC端口的電壓值，判斷周圍環(huán)境亮度情況。光線檢測電路圖如圖4所示。而DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃。其原理圖如圖4、5所示[4-5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Android studio軟件開發(fā)平臺(tái)上編寫一個(gè)名為“智能樓宇照明”的手機(jī)APP。此APP是基于機(jī)智云安卓開源框架開發(fā)的一個(gè)簡易的智能樓宇照明系統(tǒng)，功能有：燈的控制、溫濕度的讀取、光強(qiáng)檢測讀取等功能。使用的芯片ESP8266，使用的開發(fā)平臺(tái)是機(jī)智云開發(fā)平臺(tái)。

3.1 機(jī)智云平臺(tái)

系統(tǒng)采用機(jī)智云開發(fā)平臺(tái)，由ESP8266模塊與云服務(wù)器創(chuàng)建連接，每個(gè)區(qū)域通過微控制器處理LED的開關(guān)信息、傳感檢測數(shù)據(jù)傳輸，最后發(fā)送至后臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存并將信息通過智能終端設(shè)備顯示在用戶面前，用戶也可以向網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)完善的人機(jī)交互。

其中機(jī)智云是廣州杰升信息科技有限公司旗下品牌。主要為開發(fā)者提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自助開發(fā)工具、后臺(tái)技術(shù)支持服務(wù)、設(shè)備遠(yuǎn)程操控管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、第三方數(shù)據(jù)整合、硬件社交化等技術(shù)服務(wù)，也為智能硬件廠家提供一站式物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和運(yùn)維服務(wù)，將智能硬件產(chǎn)品開發(fā)周期最快縮短到半天，快速實(shí)現(xiàn)智能化。智能照明系統(tǒng)可以通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)公共網(wǎng)絡(luò)通信，不但有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，還不占用本地資源，可以對以往上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行查找和分析。用戶可以通過智能終端對云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測和控制。用戶加入機(jī)智云平臺(tái)，進(jìn)入開發(fā)者中心便可創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，云平臺(tái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)界面如圖6所示[6]。

3.2 客戶端開發(fā)

首先將搭建Android環(huán)境，利用AndroidStudio開發(fā)工具導(dǎo)入網(wǎng)站內(nèi)提供Android框架，使用設(shè)備接入SDK解決因?yàn)間radle版本而出現(xiàn)的報(bào)錯(cuò)問題，可以使得開發(fā)者快速完成APP開發(fā)，可忽略相對復(fù)雜的協(xié)議與錯(cuò)誤處理等事項(xiàng)。再通過利用安卓基本軟件，進(jìn)行頁面的邏輯修改，最后填寫App ID與App Secret時(shí)APP和機(jī)智云云端綁定，利用控件進(jìn)行自定義的UI控制，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控界面如圖7所示。

4 結(jié)論

隨著信息領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，國家大力推進(jìn)加快5G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，“新基建”正在成為共識(shí)，智能照明系統(tǒng)作為公共樓宇的一種非接觸經(jīng)濟(jì)智能產(chǎn)品，將成為未來工作和生活的常態(tài)需求，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和智能終端的普及，為智能生態(tài)圈提供了技術(shù)保障。而智能樓宇照明系統(tǒng)也在數(shù)據(jù)中心的平臺(tái)下通過自動(dòng)化、通信、信息技術(shù)手段為“新基建”提供安全、高效、便捷和節(jié)能的解決思路。

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