基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統設計

王　東，莫　先

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院, 重慶　400054)

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基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統設計

王東，莫先

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院, 重慶400054)

摘要：針對目前智能照明只根據室內環境光強度變化來實時調節LED燈亮度的缺陷，設計并實現了基于低功耗系列單片機—STM32L系列的照明系統，可根據人體紅外信號和室內光照度進行智能照明。首先詳細介紹了系統的總體設計、硬件設計以及軟件設計，然后通過實驗對系統進行測試，實現了根據人體紅外信號和室內光強度對LED燈進行智能控制的功能，并驗證了系統的實用性和有效性。

關鍵詞：STM32；人體紅外；智能照明；智能家居

隨著經濟的發展和科技的進步，人們對照明器具的節能性和科學管理便捷性提出了更高的要求，使得照明控制在智能家居領域的地位越來越重要。使用智能照明控制系統更能體現節能與管理方面的優勢，提高家庭的科學照明水平。普通家庭的照明模式是白天關燈、晚上開燈，而采用智能照明控制系統后，用戶可以根據不同場合、不同時間的家庭人數進行智能照明，在需要時自動開啟照明系統并調節其亮度；同時，系統還能充分利用自然光，在保證必要照明的同時，有效減少燈具的工作時間，節省不必要的能源開支，延長了燈具的使用壽命[1-4]。智能照明控制系統可減少燈具的使用時間，能有效節約能源。粗放型經濟增長方式會導致資源匱乏，因此調整產業結構勢在必行，在照明行業推廣智能照明系統具有重要的意義[5-11]。本文針對目前只根據室內光照度來調節LED燈亮度的方法存在的缺陷，在照明系統中加入人體紅外感應模塊和溫度檢測模塊。溫度檢測模塊可實時顯示室內溫度，人體紅外模塊可感應室內是否有人。當紅外感應模塊檢測到室內無人時，系統強制斷開電源，這樣可以避免家庭主人忘記關閉智能照明系統時帶來的能源浪費。

目前，主流的照明智能控制系統主要是總線式照明智能控制系統或網絡。總線式照明智能控制系統或網絡主要有兩種，基于分布式控制總線DCS(distributedcontrolsystem)原理和現場控制總線 (fieldcontrolsystem)原理的測控系統。目前在建筑照明領域，應用更多的是后者，本文也采用這種方案。下面分別介紹它們的特點。

基于分布式控制總線式照明智能控制系統具有開放性，使得其運用智能網關、智能路由器、交換機、光纖與光纖交換機或無線基站AP，幾乎可與任意不同通信協議的有線或無線通信網絡互聯。例如，通過RS485、WLAN、Wi-Fi、ZigBee、DMX512、GPRS/3G、4G等， 既可靈活升級或擴展成為多功能或大型和遠程控制的開放系統， 又可實現任意地域的便攜電腦、智能手機、平板電腦等手持終端的無線移動式燈光場景監控。然而，總線式照明智能控制系統在系統設定時專業性過強，編程較為繁瑣，普通用戶很難隨意調整和設定電氣系統參數，難以普及。

目前，國內外專門面向照明的總線式智能控制系統品牌繁多，主流品種包括Philips、SCENIO、C-BUS、Dynet、HDL-BUS、LonWorks、KNXEIB、GANDA、luxCONTOL、Nico、i-bus、Instabus、HomeServer、Futronix、DALI、Lutron、Elighting、ZEIOT、HOTOP、EC-NET、PrecisetechNet、iisfree、DVACO、LIGHTSPACE等。

對于現場控制總線原理的測控系統，原則上，很多優秀的工業用現場控制總線FCS只要開發配套足夠的照明控制總線模塊，都可用于照明智能控制。這種方式具有價格低、維護成本低、開發周期短等優勢，因此性能更優[12]。

本文中設計的智能照明系統主要用于普通家庭，可按照人們所處的不同室內環境設計不同的照明亮度，達到科學合理照明的目的。

1系統總體介紹

本系統主要由APDS-9008光照度檢測傳感器、DS18B20溫度檢測傳感器、LCD顯示屏、STM32L151、電源模塊和人體紅外組成。

1.1MCU 介紹

采用ST低功耗L系列單片機—STM32L151作為本系統的主控芯片，其特點如下：

1) 工作條件：

工作電源范圍：1.65～3.6V或1.8～3.6V

溫度范圍：-40～85 ℃

2) 低功耗

睡眠模式，低功率運行(在32kHz時僅9μA)，低功耗的睡眠(4.4μA)

超低漏每個I/O：50nA

從停止快速喚醒：8μs

1.2APDS-9008光照度檢測傳感器模塊介紹

APDS-9008提供廣泛環境亮度條件下的精確光度檢測。它有1個光感應器，其光譜響應接近CIE標準。圖1 是APDS-9008模塊圖。

圖1　APDS-9008模塊圖

1.3HC-SR501人體紅外模塊

HC-SR501 是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用LHI778 探頭設計，具有靈敏度高、可靠性強的特點和超低電壓工作模式。技術參數如下：

工作電壓：DC5～20V；靜態功耗：65μA；電平輸出：高3.3V，低0V；延時時間：可調(0.3 ～18s)；封鎖時間：0.2s；觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H；感應范圍：小于120°錐角，7m以內；工作溫度：-15～+70 ℃；PCB外形尺寸：32mm×24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：直徑：23mm(默認)

技術特點：

1) 全自動感應：當有人進入其感應范圍時輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。

2) 光敏控制(可選)：模塊預留有位置，可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。光敏控制為可選功能。

3) 兩種觸發方式：L不可重復，H可重復，可跳線選擇，默認為H，本系統使用默認。

不可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變為低電平。

可重復觸發方式： 即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平(感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。

4) 具有感應封鎖時間(默認設置：0.2s)：感應模塊在每一次感應輸出后(高電平變為低電平)，可以設置一個封鎖時間，在此時間段內感應器不接收任何感應信號。此功能實現感應輸出時間和封鎖時間兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產品。同時，此功能可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。

5) 工作電壓范圍寬：默認工作電壓為DC5～20V

6) 微功耗：靜態電流65μA，特別適合干電池供電的電器產品。

7) 輸出高電平信號：方便與各類電路實現對接。

圖2　HC-SR501模塊圖

1.4DS18B20溫度傳感器

溫度檢測一般選用熱敏電阻作為其傳感器，熱敏電阻可測量40～90 ℃溫度范圍，但是相比其他方法穩定性不高，一般溫度檢測的準確度較低。對于1 ℃以下的溫度檢測信號適用性極低，必須經過專門的ADC轉換成數字信號才能由MCU進行處理[6]。

目前，MCU與外部設備之間進行數據通信的串行總線方式主要有spi總線，i2c總線等。i2c以串行方式通過1條數據線和1條時鐘線與外部設備進行通信，SPI則以串行方式(1條數據發送線、1條數據接收線、1條時鐘線的三線方式)與外部設備進行通信。這些通信協議至少需要1條數據線、1條時鐘線的二條線方式與外設設備進行通信。DS18B20使用1條總線的方式與外設設備進行通信，發送數據和接收數據都在這1條總線上進行，MCU只需使用1個IO口就可和掛在其上面的許多外部設備進行通信，占用MCU極少的IO，這樣可以簡化邏輯電路和減少IO口的使用。 因而，這種單總線通信方式與其他通信方式相比具有極大的優勢[7]。

單總線通信方式即只使用一根線實現MCU與外部設通信，數據傳輸是分時在上面進行，傳輸數據、控制信號等都由這根線分時完成[8-9]。MCU或從機通過1個三態端口或漏極開路連到此線，當設備不發送數據時，釋放總線，把總線分配給其他外部設備使用。由于IO口驅動能力有限，因此要在單總線上接1個外部上拉電阻，當總線處于空閑狀態時為高。

DS18B20數字信號輸出溫度檢測傳感器與傳統的溫度傳感器不同的是：使用單總線與MCU通信，為直接數字輸出，轉換速度快，可擴展性強。圖3為DS18B20模塊內部結構圖。

圖3　DS18B20模塊內部結構圖

1.5系統總體架構

系統整體結構包括前端用1個HC-SR501人體紅外模塊和APDS光照度檢測模塊和1個DS18B20溫度傳感器。人體紅外模塊可檢測室內人數，當檢測到室內有人時，系統才開始工作；當檢測到室內無人時系統不工作，如果系統此時是工作狀態，將強行關閉系統。APDS光照度檢測模塊主要根據光強度進行智能照明，AO輸出到STM32L151PC0ADC口進行模數轉換，轉換后進行LED智能控制。溫度傳感器將實時檢測室內溫度。DS18B20使用PA1口進行單總線數據傳輸，溫度結果也通過LCD和串口打印顯示。整個系統采用聚合物鋰電池供電，如圖4所示。

圖4　系統總體架構

2系統硬件設計

2.1APDS光照度傳感器硬件設計

圖5為APDS-9008光照度傳感器電路設計，其中1腳為電源(1.6～5V)，本系統供5V電源，同時加2個電容濾波，2，3，5腳為NC腳，不接；6腳為模擬信號輸出腳，輸出信號為0～1.9V，接STM32L151PC0口進行模數轉換，得到數字信號，最終實現智能控制LED燈。

圖5　APDS-9008光照度傳感器電路

2.2HC-SR501硬件設計

HC-SR501模塊電路主要包括VCC、GND和DO口。VCC供5V電源，當檢測到室內有人時，DO口輸出為高電平，否則輸出低電平。

圖6　HC-SR501電路設計

2.3溫度檢測硬件設計

MCU與溫度傳感器進行數據傳輸主要依靠MCU按單總線協議在1條總線上產生各種時序實現。圖7為溫度傳感器與MCU具體電路圖，VCC接5V直流電，GND接地，OUT為與MUC進行通信的接口，上面必須接1個上拉電阻，以保證通信的正常進行和空閑狀態時為高電平。

2.4LCD硬件設計

LCD采用四線SPI協議與MCU進行通信。SPI接口一般由4根數據線組成，包括CS片選信號線、SCLK時鐘信號線、MISO主機輸入從機輸出數據線和MOSI主機輸出從機輸入數據線，CS為使能信號。只有當使能信號為低時，此設備才被選中。選中后，MOSI和MISO可以進行數據傳輸[10]。

圖7　DS18B20電路

圖8　讀操作時序

讀操作為：前8個時鐘主機發送地址給從機，后8個時鐘從機接收到地址后，返回數據給主機。當主機發送地址給從機時，會在地址的最高位加0，以表示讀，其余的后7位為從機內部寄存器地址，從機接收到高位讀標志和后面的7位寄存器地址后，會在后面8CLK返回寄存器的值給主機，完成一次讀操作。

寫操作同樣由16個時鐘組成，前8個時鐘主機發送8位將要寫的地址給從機，后8個時鐘為主機發送的8位數據。當寫操作開始時，同樣首位表示寫標志位，SPI協議寫操作規定首位為1。因此，在寫操作時，8位數據由1位寫標志位和7位地址組成。當從機收到由1位寫標志位和7位地址組成的數據后，會等待第二次發送的數據，把第二次發送的數據寫入剛剛的地址寄存器，完成一次寫操作。

LCD液晶顯示屏主要用于溫度的實時顯示。圖10為LCD詳細電路圖。

2.5電源管理

系統采用鋰電池供電。首先，MiniUSB輸出的5V電壓直接提供給鋰電池充電管理芯片，由其對鋰電池進行充電管理。該芯片是一款完整的單節鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器， 充電電流為1A。當輸入電壓停止時，芯片自動進入低電流狀態，將電池漏電流降至2μA以下。鋰電池充電電壓為4.2V，容量為500mAh。由于鋰電池在放電過程中輸出電壓會下降，而系統工作在3.3V，因此需要加低壓降穩壓器以保證系統正常工作。穩壓芯片輸出電壓穩定在3.3V，可以輸出400mA的電流，壓差最低可達到75mV，外圍電路簡單，可滿足要求。為及時充電和保存數據，系統進行電池電量監測。

圖10　LCD電路

圖11　電源管理電路

3系統軟件設計

3.1智能照明軟件設計

光照度檢測采用ADC和DMA方式進行傳送。ADC可以把模擬電壓直接轉換成數字信號，便于存儲器存儲和傳送。軟件設計流程如下：首先初始化ADC和DMA，讓ADC工作于DMA方式；HC-SR501人體紅外傳感器進行室內環境檢測，如果檢測到室內有人，則進行數據傳輸，否則一直檢測。當檢測到室內有人時，ADC獲得總線上的電壓值，然后自動將其轉換成12位的數字信號來智能控制室內LED燈。此時，DMA把ADC轉換后的數字信號送到內存，這段期間不需要CPU干預，可節約CPU資源去獲取溫度。軟件流程如圖12所示。

3.2溫度檢測軟件設計

首先初始化DS18B20，讓通信雙方達成基本通信協議。由于總線上只掛了1個DS18B20溫度傳感器，因此直接跳過ROM，發出溫度轉換指令0x44h,之后，DS18B20準備好溫度數據，在讀溫度前至少需等待750μs。750μs后，重新初始化，讀取存儲器中已經準備好的數據，然后經過計算獲得溫度，把溫度數據送到串口和LCD上面顯示。由于溫度相對變化不大，故采用定時器中斷方式獲取溫度，程序設計每2s中斷一次，即每2s執行一次溫度檢測流程。溫度檢測軟件設計流程如圖13所示。

圖12　智能照明軟件設計流程

圖13　溫度檢測軟件設計流程

4系統實現

4.1系統計測試軟件設計

為了測試系統，本方案設計了系統測試軟件。溫度信號采用定時中斷方式獲得，每2s獲取1次，這樣可以節約CPU資源，也可實時獲得最新溫度值。智能照明500ms中斷1次獲得當前光強度信息，以智能控制LED燈亮度。最后把溫度信息送到LCD和串口進行顯示，系統測試流程見圖14。

圖14　系統測試流程

4.2系統實現結果

系統實物圖見圖15。

本文給出了室內有人和無人時、光強度不同時LED燈亮度情況的實驗數據(見圖16～18)。

圖15　系統實物圖

如圖15所示，系統由溫度傳感器、LCD屏、光強度傳感器、人體紅外傳感器和LDE燈組成。

圖16　有人時光強度低串口數據

當紅外傳感器檢測到有人且光強度低時，LED由暗變亮，串口數據顯示當前亮度值，ADC為12位，因此亮度范圍為0～4 096，當前亮度為70～500cd/m2之間，測試數據正確。

當紅外傳感器檢測到有人且光強度高時，LED由亮變暗，串口數據顯示當前亮度，值測試數據正確。

圖18　無人時LED燈關

當系統檢測到無人時自動關閉系統，以避免人為原因造成的忘記關閉系統，從而達到節約能源的目的。

圖19顯示當前的溫度為26°，測試結果正確。

圖19　室內溫度

5結束語

本文設計的智能照明、溫度檢測系統從測量準確性、功耗、家庭實用性等角度出發，所選用的芯片和模塊均符合低功耗的原則，具有體積小、可靠性高、性價比高、結構簡單等特點，可用于智能家居系統，具有較高的實用價值。

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(責任編輯楊黎麗)

Design and Implementation Smart Home of IntelligentLightingSystemBasedonSTM32andHC-SR501

WANG Dong, MO Xian

(College of Computer Science and Engineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Abstract:InviewofthedefectsthatcurrentintelligentlightingonlybasedonthevariationoftheintensityoftheindoorenvironmentlighttoadjustthebrightnessofLEDlampsinreal-time,inthispaper,basedonlowpowerconsumptionMCU,theSTM32Lseriesaccordingtotheinfraredsignalandtheindoorilluminationintelligentlightingweredesignedandrealized.Firstly,thesystemdesign,hardwaredesignandsoftwaredesignwereintroducedindetail,andthenthesystemwastestedthroughexperimentsandtheinfraredsignalsthebodyandinteriorlightingintensityofLEDlightingintelligentcontrolwererealized,andthepracticalityandeffectivenessofthesystemwereverified.

Keywords:STM32;humaninfrared;intelligentlighting;smarthome

收稿日期：2016-01-03

基金項目：重慶市教委科學技術研究資助項目(KJ1400907); 重慶市自然科學基金計劃資助項目(cstc2011jjA40026)

作者簡介：王東(1969—)，男，副教授, 碩士生導師，主要從事智能家居研究；莫先(1990—)，男，碩士研究生，主要從事嵌入式智能家居研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.023

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0135-08

引用格式：王東,莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):135-142.

Citationformat：WANGDong,MOXian.DesignandImplementationSmartHomeofIntelligentLightingSystemBasedonSTM32andHC-SR501[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(6):135-142.