多功能智能燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

新余學(xué)院 何運(yùn)繁 羅 俊

針對生活中人們對節(jié)能環(huán)保意識(shí)缺失的問題，以及符合人們?nèi)粘Ｉ畹谋憷?xí)慣，本文設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙通信的多功能智能燈系統(tǒng)。該智能燈系統(tǒng)通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信控制，同時(shí)在上位機(jī)上使用了μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與帶負(fù)載能力，再結(jié)合多種傳感器與WS2812B燈帶實(shí)現(xiàn)了燈光的智能感應(yīng)調(diào)節(jié)、定時(shí)、溫濕度顯示報(bào)警提示等多功能。

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)智能化設(shè)備的運(yùn)用越來越普遍，智能家居就是其中之一，同時(shí)給人們的生活帶來極大的方便與體驗(yàn)。而在生活中，日常燈的需求對人們而言是至關(guān)重要的，對于傳統(tǒng)的燈往往需要手動(dòng)控制，而對于智能化燈，它能夠感應(yīng)周圍是否有人的存在而選擇是否自動(dòng)開燈，從而避免了多次復(fù)雜的手動(dòng)操作。本文設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙通信的多功能智能燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體上可分為控制上位機(jī)與燈光下位機(jī)，兩者之間通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線控制。本文所設(shè)計(jì)的智能燈系統(tǒng)不僅能夠根據(jù)外界環(huán)境而自動(dòng)亮滅，還可以根據(jù)人們的需求設(shè)置定時(shí)熄滅，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度并具有報(bào)警提醒等功能，同時(shí)系統(tǒng)也可以調(diào)節(jié)燈光的顏色來渲染出不同的氣氛，從而來調(diào)節(jié)人們的心情。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)上，可分為控制上位機(jī)部分、燈光下位機(jī)部分和藍(lán)牙通訊部分。其中燈光下位機(jī)部分連接溫濕度傳感器、紅外傳感器、WS2812B燈帶等功能模塊。多功能智能燈的系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

圖1 多功能智能燈的系統(tǒng)模塊框圖

由于本文所設(shè)計(jì)的智能燈系統(tǒng)具有的功能較多，因此在前期的初步試驗(yàn)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，功能的復(fù)雜性給裸機(jī)系統(tǒng)帶來了一定的運(yùn)行局限性，如系統(tǒng)卡頓、響應(yīng)延遲較大等。為了有效地提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率，在控制上位機(jī)上采用μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以最大程度上的減小上述系統(tǒng)運(yùn)行局限性問題。同時(shí)考慮本設(shè)計(jì)對屏幕顯示的利用較為頻繁且市面上對LCD顯示的解決方案也比較多，為了提高顯示畫面的美觀化與可視性，因此在LCD顯示部分采用了emWIN5頁面處理的解決方案，對于這類方案，市面上也有比較多資料可進(jìn)行參考。

2 燈光下位機(jī)的硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

燈光下位機(jī)的控制芯片采用的是STM32F103系列，該系列單片機(jī)是ST公司開發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器。相比51系列的單片機(jī)，它具有USART，I2C，SPI等多個(gè)通信接口，72M更高的主頻，足夠大的RAM、FLSAH，運(yùn)行速度更快。在程序開發(fā)上，它可以使用易于閱讀、維護(hù)成本低的封裝庫開發(fā)，大大的提高了開發(fā)效率。

2.2 感應(yīng)模塊

圖2所示的是燈光下位機(jī)的部分硬件模塊電路圖，其包括感應(yīng)模塊、WS2812B燈帶模塊、溫濕度和報(bào)警模塊。下位機(jī)的感應(yīng)模塊主要由紅外傳感器HC-SR501和光敏傳感器組成，其原理是通過熱釋電材料接收人體發(fā)出特定波長的紅外線而引起其表面電荷的變化，然后熱釋電傳感器將這種輻射變化轉(zhuǎn)換為電平的變化。光敏傳感器能夠感知周圍光線的強(qiáng)弱，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而判斷周圍環(huán)境光線的亮暗程度，在結(jié)合紅外傳感，從而實(shí)現(xiàn)在光線較暗時(shí)檢測到有人而亮燈。

圖2 燈光下位機(jī)硬件部分模塊電路圖

2.3 WS2812B燈帶模塊

WS2812B燈帶模塊是一個(gè)具有內(nèi)部控制電路和LED發(fā)光電路的智能光源。一個(gè)WS2812B燈帶具有8個(gè)5050 RGB LED燈組成，該模塊的輸入口連接下位機(jī)的PB10端口，其中一個(gè)燈需要G（綠）8位、R（紅）8位、B（藍(lán)）8位——24位數(shù)據(jù)，控制，需要模擬時(shí)序：1碼（約900ns高電平、300ns低電平）、0碼（約300ns高電平、900ns低電平），由于這個(gè)時(shí)間間隔比較短，需使用定時(shí)器定時(shí)。由于芯片內(nèi)部的鎖存器和整形電路，數(shù)據(jù)每經(jīng)過一級(jí)LED燈，就會(huì)相應(yīng)的減少24位，這樣的逐級(jí)遞減從而達(dá)到每個(gè)燈都能夠有數(shù)據(jù)的傳遞過來。

2.4 溫濕度和報(bào)警模塊

溫濕度傳感器使用的是DHT11，其中采用3.3V供電，一個(gè)IO口輸出數(shù)據(jù)，它的響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。利用溫濕度所讀取的溫度值，可做一個(gè)溫度報(bào)警器。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的值后，就會(huì)執(zhí)行報(bào)警模塊----由蜂鳴器和紅色LED指示燈等組成，蜂鳴器就會(huì)響起，同時(shí)LED也會(huì)亮起以提醒人們。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，燈光下位機(jī)默認(rèn)處于智能感應(yīng)模式。此時(shí)，若光線較為陰暗的且識(shí)別到有人存在時(shí)，傳感器的端口輸出高電平并被STM32單片機(jī)識(shí)別后，單片機(jī)則通過控制WS2812B燈帶使燈亮起；當(dāng)人遠(yuǎn)離或者光線較為明亮?xí)r，端口又會(huì)輸出低電平，燈自動(dòng)熄滅。在其他情況下，則可以使用控制上位機(jī)通過藍(lán)牙通信對燈光下位機(jī)進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度，與此同時(shí)，燈光下位機(jī)的感應(yīng)模式暫時(shí)失效。本文所設(shè)計(jì)的多功能智能燈系統(tǒng)軟件整體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件的整體流程圖

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)部分采用了μC/OS-III實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其流程結(jié)構(gòu)如圖4。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，調(diào)度器將優(yōu)先響應(yīng)實(shí)時(shí)列表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，其中3個(gè)主要用戶任務(wù)分別為：用戶初始主頁面任務(wù)、觸摸按鍵實(shí)時(shí)檢測任務(wù)，顯示更新任務(wù)，其他的初始化等均放在各任務(wù)中。當(dāng)上位機(jī)進(jìn)入用戶主頁面之后，會(huì)根據(jù)當(dāng)前的觸摸按鍵來判定用戶所選擇的頁面標(biāo)志，而后由調(diào)度器根據(jù)頁面標(biāo)志執(zhí)行顯示更新任務(wù)從而使上位機(jī)LED顯示進(jìn)入對應(yīng)的用戶界面。

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)框架圖

用戶頁面的頁面標(biāo)志如表1所示，初始情況下為主頁面，1表示標(biāo)志被按下，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)進(jìn)入對應(yīng)的用戶頁面。

表1 用戶頁面與頁面標(biāo)志

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)流程如圖5所示。下位機(jī)系統(tǒng)在開機(jī)初始化之后，會(huì)自動(dòng)與上位機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙配對，并在藍(lán)牙配對后根據(jù)是否有收到上位機(jī)指令來分別進(jìn)入自動(dòng)模式或遙控模式。當(dāng)下位機(jī)處于自動(dòng)模式時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前紅外傳感和光敏傳感的情況控制燈帶的亮滅；當(dāng)下位機(jī)處于遙控模式時(shí)，會(huì)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令直接控制燈帶的亮滅或進(jìn)行定時(shí)開關(guān)，同時(shí)下位機(jī)對環(huán)境溫濕度進(jìn)行讀取并發(fā)送給上位機(jī)，并根據(jù)設(shè)定的溫濕度閾值進(jìn)行報(bào)警提示。

圖5 下位機(jī)系統(tǒng)流程圖

下位機(jī)定時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)，則是通過用戶操作上位機(jī)上的延時(shí)按鍵來增加定時(shí)器的寄存器值，通過藍(lán)牙將其值從上位機(jī)傳送給下位機(jī)，且定時(shí)時(shí)長可多次累加。下位機(jī)對燈帶進(jìn)行控制需要模擬一個(gè)時(shí)序，下位機(jī)控制芯片通過向IO口寫入24bit數(shù)據(jù)即可點(diǎn)亮燈帶上的一個(gè)小燈，若改變IO口寫入的數(shù)據(jù)則可實(shí)現(xiàn)不同的燈光顏色。由于帶燈內(nèi)部為級(jí)聯(lián)整形電路，因此一個(gè)小燈的數(shù)據(jù)可自動(dòng)傳輸?shù)较乱患?jí)電路。下位機(jī)向燈帶寫入一個(gè)8bie數(shù)據(jù)的代碼實(shí)現(xiàn)過程如下：

4 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，對下位機(jī)燈帶模塊進(jìn)行了原型焊接調(diào)試以檢測各模塊是否正常。表2所示的是溫度報(bào)警的功能測試結(jié)果。由于春季室內(nèi)溫度大致為25℃左右，故事先將報(bào)警溫度的閥值調(diào)整為25℃。然后將上位機(jī)開啟為控制模式后，下位機(jī)的溫濕度傳感器將獲取的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超過設(shè)定的閥值時(shí)，上位機(jī)的溫度提示區(qū)域會(huì)顯示“Alarm”字樣，如圖6所示的是用戶處于計(jì)算器界面時(shí)發(fā)生報(bào)警時(shí)的溫度顯示與提示字樣；而下位機(jī)部分的燈帶會(huì)亮起微弱的紅光顏色以給人直觀的報(bào)警提示，如圖7所示。

表2 溫度報(bào)警測試結(jié)果

圖6 溫度過高時(shí)上位機(jī)的報(bào)警提示

圖7 溫度過高時(shí)下位機(jī)的燈光報(bào)警提示

本文設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙通信的多功能化智能燈系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對各部分逐一設(shè)計(jì)，同時(shí)在上位機(jī)上使用μC/OS-III操作系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更好，在系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，也絲毫不卡頓，這一巨大優(yōu)勢在許多領(lǐng)域上有著極其重要的應(yīng)用。同時(shí)隨著人們對生活水平的不斷提高，智能家居居理念的逐漸普及，智能燈的使用也有著廣闊的應(yīng)用前景。