基于單片機的樓宇智能照明系統(tǒng)設計

孫雪景 魏立明

（吉林建筑大學 長春 130118）

引言

新型智能照明系統(tǒng)采用新技術、新理念以控或聲控的方式來控制照明電源，取代傳統(tǒng)的操作模式，便利了人們的生活。本文針對辦公樓宇辦公室、走廊、電梯、衛(wèi)生間設計了基于CAN總線樓宇智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了樓宇智能照明控制功能。

1 系統(tǒng)的總體結構

本設計以STM32F407單片機為主控芯片，STM32F103單片機為從控芯片。其中照明控制電路由光照傳感器、紅外傳感器、CAN智能節(jié)點模塊等部分構成。當照度傳感器將采集到的環(huán)境照度通過IIC協(xié)議傳送給STM32F103單片機，STM32F103單片機根據(jù)傳輸照度進行運算，然后產(chǎn)生一個PWM信號，PWM脈沖信號會送至LED的恒流驅動電路控制LED燈的光通量。其設計結構如圖1所示。本方案的體系架構分為以下三層：第一層對數(shù)據(jù)的采集以及程序中命令執(zhí)行能力；第二層由CAN智能節(jié)點組成，建立起智能照明系統(tǒng)的傳輸端，并與主控制器連接，完成數(shù)據(jù)傳輸；第三層由主控器和上位機模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，終端層也可在PC終端上登錄上位機軟件界面對智能照明控制系統(tǒng)進行查詢和管理。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1 電路結構圖

圖2 系統(tǒng)整體結構圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 器件選型

1）單片機：采用STM32F103RCT6作為CAN智能節(jié)點從控芯片和STM32F407VET6主控芯片。單片機工作電壓集中在（2.0 ～ 3.6）V這個區(qū)間內(nèi)，適合其運行的工作溫度在（-40 ～+85）℃之間，滿足環(huán)境要求，實物圖如圖3所示。

圖3 STM32單片機實物圖

2）光照度傳感器：型號為BH1750，它有IIC總線接口，主要是用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度的傳感器，圖4是其實物圖。該傳感器通過SCL時鐘信號端以及SDA數(shù)據(jù)信號端和處理器連接從而進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 BH1750光照度傳感器模塊實物圖

3）人體紅外傳感器：選用基于LHI778探頭的人體紅外傳感器模塊HC-SR501。外部端口有VCC、OUT和GND，可以直接與STM32單片機連接，并且具有很高的靈敏度。感應角度約為100 °圓錐角，感應距離在（3 ～ 7）m區(qū)間內(nèi)是可以自由調(diào)節(jié)的，實物圖如圖5所示。

圖5 紅外傳感器實物圖

4）聲音傳感器：選用基于電壓比較器LM393芯片聲音傳感器模塊MK152。外部端口為VCC、GND和OUT，且直接與單片機的I/O口連接，其靈敏度和可靠性都很強，其感應范圍可調(diào)。實物圖如圖6所示。

圖6 聲音傳感器實物圖

5）CAN總線收發(fā)器選型：選擇CAN收發(fā)器TJA1050模塊，實物圖如圖7所示。不僅可以為CAN總線進行提供差動發(fā)送功能，而且還可以為CAN控制器提供差動接收功能。

圖7 CAN總線收發(fā)器模塊

2.2 電源電路設計

電源模塊提供（3.3 ～ 5）V區(qū)間電壓，采用AS1117穩(wěn)壓芯片?？梢酝ㄟ^開關電源將220 V的交流電轉化為16 V的直流電，然后再將16 V直流電經(jīng)過AS1117穩(wěn)壓芯片從而進行轉化為穩(wěn)定的+5 V和3.3 V的直流電。電源電路如圖8所示。

圖8 電源電路

2.3 從控制器電路設計

從控制器可以為CAN智能節(jié)點與主控制器進行數(shù)據(jù)通信，進行數(shù)據(jù)采集以及照明執(zhí)行設備對LED燈進行亮度調(diào)控。從控制器包含IIC協(xié)議，CAN通信協(xié)議，PWM，ADC等功能，且在樓宇中由于照明區(qū)域較多，因此燈光組合比較復雜，選用STM32103單片機從控芯片，內(nèi)部集成兩個CAN控制器和IIC接口，適合本文設計需要。

2.4 辦公區(qū)電路設計

辦公區(qū)主要采用BH1750傳感器和HC-SR501人體紅外傳感器共同作用來判斷LED燈是否工作和功率大小。其中BH1750傳感器采集樓宇內(nèi)部實時光照度，通過IIC總線進行數(shù)據(jù)傳輸。處理器STM32F103芯片通過SCL時鐘信號端和SDA數(shù)據(jù)信號端與BH1750傳感器連接進行數(shù)據(jù)的傳輸，讀取照度數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。光照強度傳感器電路如圖9所示。采用HC-SR501傳感器采集室內(nèi)實時人數(shù)，人體紅外傳感器可以感應到當前環(huán)境是否有人，若有DATA端會輸出高電平并傳輸給STM32F103芯片。人體紅外線傳感器電路圖如圖10所示。

圖9 光照傳感器電路

圖10 人體紅外線傳感器電路

2.5 走廊電路設計

走廊通過聲音傳感器和光照度傳感器共同作用來對LED燈的工作狀態(tài)進行控制。聲音感應傳感器采集宇樓道聲音的強度，全方位檢測聲音，檢測到超出閾值的聲音時，OUT輸出低電平。聲音傳感器電路如圖11所示。通過安裝聲音傳感器和光照度傳感器來采集周圍環(huán)境的信息，沒檢測到聲波時，LED燈會保持熄滅的狀態(tài)，若有則判斷周圍環(huán)境光強度來進行調(diào)節(jié)LED燈亮度。

圖11 聲音傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設計

1）主控制器與上位機通信軟件設計，上位機利用串口通訊將有效數(shù)據(jù)傳輸給主控器，利用主控器去控制各個區(qū)域CAN節(jié)點，使之控制LED燈具。而主控器把從CAN智能節(jié)點傳輸回來信號上傳給上位機，使數(shù)據(jù)在上位機界面得以顯示。當上位機傳輸數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)時，主控制器就會讀取數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行相關指令。在讀取數(shù)據(jù)過程中，主控制器會對讀取內(nèi)容進行數(shù)據(jù)檢測，若讀取數(shù)據(jù)不正確，則不會執(zhí)行該指令。

2）從控系統(tǒng)軟件設計。從控器能實現(xiàn)CAN節(jié)點與主控制器互聯(lián)互通并且接收傳感器采集信號和控制PWM信號占空比，實現(xiàn)LED燈具調(diào)光控制等，達到如下功能：①上電后初始化各模塊，對CAN總線上信息隨時待命；②若主控制器通過CAN總線協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給從控制器，從控制器接收CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后從控系統(tǒng)根據(jù)相關指令執(zhí)行操縱。

圖12 主控制器接受上位機指令流程圖

圖13 從控系統(tǒng)程序流程圖

圖14 用戶界面

圖15 數(shù)據(jù)采集界面

4 上位機設計

本文采用Labview作為上位機監(jiān)控軟件，整合各種儀器儀表控件，通過對控件加以布局、設計出用戶界面。各個控件間產(chǎn)生了邏輯上聯(lián)系，可以共同協(xié)作，實現(xiàn)使用者對功能的需要。為方便系統(tǒng)管理和增強控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，將燈具單元按照各建筑物的功能分區(qū)劃分為不同的管理區(qū)域，由用戶對建筑物分區(qū)、照明類型進行二級選擇，以完成對各個照明區(qū)精確管理。用戶管理平臺和集中控制臺之間的通信采用串口方式進行，由用戶在系統(tǒng)啟動之前進行照明管理區(qū)域和燈具參數(shù)設定，保證與系統(tǒng)通信順暢。

5 結論與展望

本文主要針對樓宇智能照明控制系統(tǒng)進行設計，基于主控芯片的STM32F407單片機和從控芯片STM32F103單片機的外圍電路和基于TJA1050芯片的CAN收發(fā)模塊電路，和NU511LED恒流驅動芯片的工作電路等，并對系統(tǒng)的各個區(qū)域節(jié)點電路進行了方案設計。軟件設計方案主要是包括了主控制器和上位機之間的通訊設計，從控系統(tǒng)的軟件設計，各區(qū)域程序設計、CAN通訊程序設計、上位機設計等配置。各區(qū)域主要指基礎照明功能的控制，系統(tǒng)通過CAN總線實現(xiàn)各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。本文所提方案為樓宇智能照明控制系統(tǒng)提供理論借鑒和參考。