基于STM32的教室智能燈控系統設計

周康 張文斌 李帥 楊峰

摘 要：針對學校照明用電浪費嚴重、人為手動控制不便的問題，對自動控制和手動控制相結合的教室照明控制系統進行了研究。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絡接入上位機的智能燈控系統設計方案。文章從單片機硬件設計、單片機程序設計和基于Qt的上位機控制程序設計三方面詳細介紹了系統。最后達到了遠程控制、節約用電、提高資源利用率的目的。經過控制變量法的實驗驗證，并進行了系統功能的分析，實驗結果和預期效果一致。

關鍵詞：智能燈控；多傳感器；單片機；上位機；遠程控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

隨著我國教育業的發展，學校照明用電量急速增加，電能損失也呈現出增大的趨勢。目前，國內外照明自動控制裝置基本都采用被動的人體感應探測、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，沒有主動探測器，或雖有主動探測器，但靈敏度不高，經常出現教室無人時照明燈卻一直工作以及有人情況下燈卻熄滅的情況；其次，此類系統比較分立，網絡化程度不高，無法實現對全部教室的統一管理[1]。

同時，國內大、中、小學校教室以及公用區的照明燈具控制大多采用普通開關， 即使學校進行嚴格管理， 仍不可避免地出現忘記關燈的現象， 特別在白天情況下更是如此， 從而造成了大量的能源浪費。此外， 各種照明燈具都具有一定的使用時限， 在白晝光線充足的情況下繼續使用照明燈具， 必然會縮短各種燈具的使用壽命[1-3]。以西北工業大學長安校區教學樓為例，經常出現教室里空無一人或者只有一兩個人，但教室里的所有照明燈都打開的現象，同時，教學樓物業管理人員每次晚自習閉樓時需要一間一間去關燈，勢必造成電能和人力資源的浪費。

為了更好地達到節能降耗、提高智能化程度、減輕管理員工作負擔的目的，設計了基于STM32的教室照明智能燈控系統。該系統的特點是，利用光敏電阻檢測室內不同地方的光照強度，利用紅外熱釋電傳感器檢測人體，采用以STM32單片機為核心設計具有數據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實現的上位機組成網絡，能夠實現在教室無人或者光照充足時自動關燈、有人到來且光照不足時自動開燈的功能，物業管理員可以查看每間教室的照明情況，通過上位機遠程控制關閉教室照明，采取自動和手動相結合的方式實現對教室照明的智能控制。

1 系統整體設計及工作方式

系統整體設計方案如圖1所示，主要包括PC上位機控制端、串口轉無線模塊、教室控制終端和傳感器等自動控制信號源四個部分。

結合圖1可知系統有自動控制與手動控制兩種工作方式。

1.1 自動控制

自動控制信號源包括熱釋紅外傳感器、光敏傳感器和時鐘模塊。熱釋紅外傳感能夠感應教室里是否有人，光敏傳感器感應教室里的光照強度，時鐘模塊能夠提供秒、分、時、日、周、月、年的信息。在自動控制模式下，當且僅當滿足如下條件時燈才會打開：

（1）教室里有人；

（2）教室內光照不充足；

（3）教學樓開放的時間段。

1.2 手動控制

用戶可以在PC上位機控制端的操作界面上對教室內的照明燈進行控制，比如對某間教室的燈進行開關，或者對所有教室的燈統一開關。并通過串口轉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的通斷動作。

2 硬件電路設計

智能燈控系統硬件由教室控制終端和串口轉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內核的32位增強型閃存微處理器STM32F103RCT6作為控制核心。其豐富的片上資源大大簡化了系統硬件，降低了設計成本[4]。

2.2 控制終端設計

控制終端的硬件原理框如圖2所示，可看出整個電路以STM32單片機作為控制核心，包含電源轉換模塊、繼電器控制電路、2.4 GHz無線傳輸電路和傳感器等自動控制信號源等。

2.2.1 電源轉換模塊

電源分為市電電源220 V；繼電器控制電路的5 V電源；單片機等模塊的3.3 V電源三個部分。

（1）市電220 V交流電主要給教室內的照明燈供電，另一方面經過降壓、穩壓和整流后給控制終端供電。

（2）對于5 V電源部分，因為開關電源的尺寸遠小于降壓穩壓模塊電路，具有很好的輸出效果，輸出功率滿足系統工作要求，因此插座節點采用的供電方式為開關電源模塊供電。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模塊進行電源轉換，加入濾波電路， 使電源轉換更平穩。AMS1117具有固定輸出電壓，低漏失電壓（1 A輸出電流時僅為1.2 V），限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬（-40～125℃）[4]等特點。

2.2.2 繼電器控制電路[4]

繼電器是一種電控制器件，當輸入量的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。本電路中繼電器可實現弱電控制強電，即單片機5V輸出電壓可以控制220 V交流電。

2.2.3 DS1302時鐘電路

考慮到本系統停電時需為時鐘電路提供電源，故采用具有充電能力的實時時鐘芯片DS1302。該芯片對年、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，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將光轉化為電量的傳感器。光敏電阻電路除了具有將光信號轉化為電信號的功能外，還具有通過LM393芯片對電信號進行放大的功能。在無光條件或者光強達不到設定閾值時，OUT端口輸出高電平，當外界環境光強超過設定閾值時，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的能夠感應人體的自動控制模塊。本文采用HC-SR501型號的傳感器，其采用德國原裝進口LHI778探頭，具有靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式的特點。

2.3 串口轉無線模塊設計

串口轉無線模塊的電路以STM32單片機作為控制核心，包含USB轉串口電路和2.4 GHz無線傳輸電路。

2.3.1 USB轉串口電路

USB轉串口電路如圖4所示，該電路基于CH340設計。CH340是一種USB總線的轉接芯片，實現USB轉串口等功能，在本實驗中解決PC機的USB接口與單片機之間的通信問題。STM32F103RCT6提供 5個內置的串口通信模塊，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公司生產的一款無線通信芯片，可以實現點對點之間的無線數據通信或是一對六無線數據通信，其無線通信傳輸速率為0～10 Mb/s，有125個可選工作頻道，且為單片機系統預留5個GPIO和1個中斷輸入引腳，適用于單片機系統構建無線通信功能[4]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計整體上可分為教室控制終端軟件設計、串口轉無線模塊軟件設計、上位機控制終端軟件設計。本文主要介紹教室控制終端和上位機控制終端的程序軟件設計，同時介紹光敏傳感器采集的電壓值（ADC采集）與光照強度（單位：勒克斯/lux）之間的對應關系。

3.1 電壓值與光照強度的轉換

由于光面傳感器采集的信號是電壓值，而國際上常用的計量單位是勒克斯。因此我們在室內外進行了實驗，在光照相同的情況下同時用光照度計和光敏傳感器采集多個樣本。本文主要介紹室內的情況。經過Matlab處理后得到圖5所示的標準光照度與光敏傳感器ADC值的關系，同時擬合得到對應關系：y=2.66×107x-1.68。由《國家建筑照明設計標準（GB 50034-2004）知教室的光照度應為150～300 lux，我們采用230 lux為光照閾值。當光照度大于230 lux時，則認定教室光照充足。

3.2 教室控制終端的程序設計

控制終端的整體控制程序主要包括主程序、外部中斷。其中主程序主要負責時間、光照等數據的讀取和傳輸，教室控制終端程序流程圖如圖6所示。外部中斷用于響應上位機控制終端通過串口轉無線模塊發送的操作指令；采用中斷的方式使節點能夠準確響應外部操作命令，避免因查詢法丟失用戶命令的情況出現。

3.3 PC上位機控制終端的程序設計

上位機控制終端的程序主要包括發送數據和接受數據部分，PC上位機控制終端程序流程圖如圖7所示。其中發送數據部分負責通過串口轉無線模塊發送操作指令給下位機，主要實現手動模式的開燈和關燈操作；接受數據部分負責采集單片機發送的原始數據，并將其數字化，以直觀的形式將燈光狀態和環境光強度進行實時反饋，簡化了管理員的操作。

3.4 基于Qt編寫的PC上位機

軟件部分的上位機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上位機管理界面。

管理界面的左上方用于設置相關參數，包括串口、波特率、教室號等；左下方可以顯示當前時間便于提醒管理員；右面上半部分是當前教室燈光狀態和光強的實時顯示；右面的下半部分是功能選擇，可自由切換。其中功能包括自動和手動兩種模式。自動模式不需要人工干預，能根據教室人數和光強自動判斷是否開關燈；手動模式則可以按照管理員的意愿自由實現開燈和關燈的操作，遠程操控給管理員帶來了極大地便利。

4 實驗驗證

所有準備工作做好以后，我們在一間5 m × 6 m的教室進行了實驗。其模型如圖9所示。

將教室化為4個區域，每個區域都有一組傳感器。一組傳感器包括一個熱釋紅外傳感器和一個光敏傳感器。區域內的照明燈連接繼電器，繼電器連接到單片機。教室控制終端通過NRF無線通信連接到PC上位機端。實驗結果如下：

（1）自動控制模式。上午九點鐘，教室光照充足。從a點依次走過b點、c點及d點，燈一直沒有打開。

（2）自動控制模式。上午九點鐘，拉上窗簾，教室光照不充足。從a點依次走過b點，區域A和B的燈都亮了。一段時間后，A區域的燈熄滅，B區域的燈依舊亮著。

（3）自動控制模式。和教學樓管理人員協調，晚上十一點半以后進行試驗，從a點依次走過b點、c點及d點，燈一直沒有打開。

（4）手動控制模式。區域A、B、C和D的燈能夠根據上位機的操作打開或者關閉。

實驗結果達到預期目標。在自動控制模式下當且僅當滿足教室里有人；教室內光照不充足；教學樓開放的時間段條件時燈才會打開。

5 結 語

本系統較好地實現了教室無人或者光照充足時或教學樓關閉時間段自動關燈，有人到來且光照不足時自動開燈的功能，并且實現了PC上位機控制端控制每個教室的照明燈。上位機可以方便教學樓管理人員開啟與關閉教室的照明燈，同時也可以統計教室使用率，統計學生上課和自習的情況等。

以西北工業大學長安校區教學樓為例介紹本系統的節能效益。全教學區約有C=297個教室，按照平均每間教室18盞燈計算，得總盞數c=5 346盞；學生在早晨7點到晚上22點30分使用照明燈，假設平均每天浪費電能的時間為t=1小時；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y=270天（除去寒暑假期）；據陜西省物價局數據顯示，陜西電網居民生活和農業生產用電價格為p=0.498 3 元/度。計算一年時間西北工業大學長安校區教學樓用本系統可節約電能為：W=P×m×c×t×y÷1 000=115 473度，節約電費M=W×p=57 549元。由此可知，此系統有很大的推廣應用價值。

參考文獻

[1]王嶺娥，熊偉，許廣斌，等.教室照明區域化智能控制系統[J].電器應用，2007，26（11）：39-41.

[2]周燕，覃如賢.教室燈光智能控制系統[J].西南科技大學學報，2005，20（1）：11-14.

[3]陳九江，吳桐，王術，等.教室照明系統的智能控制[J].黑龍江大學學報（自然科學版），2006，23（3）：314-316.

[4]梁李柳元.基于STM32的無線紅外智能插座系統設計[J].現代電子技術，2015，38（19）：156-159.

[5]熊偉，許廣賓，王嶺娥.教室照明區域化智能控制系統軟件設計[J].山西建筑，2008，34（5）：367-368.

[6]常衛國，王征，張立臣.教室照明智能控制系統的設計與應用[J].長春工業大學學報（自然科學版），2008，29（5）：597-600.

[7]郭占龍.基于單片機的智能家居控制系統[J].微計算機信息，2007，23（2）：115-116.

[8]張玉杰，陳志磊.智能照明系統KNX與DALI協議網關的設計及實現[J].計算機測量與控制，2015，23（11）：3762-3765.

[9]張玉杰，翟楠.超市智能照明控制系統[J].計算機測量與控制，2014，22（11）：3588-3590.

[10]樓婷婷，潘峰.基于無線傳感器網絡的智能LED燈控制系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（6）：1990-1992.