基于單片機(jī)的樓宇智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫雪景 魏立明

（吉林建筑大學(xué) 長(zhǎng)春 130118）

引言

新型智能照明系統(tǒng)采用新技術(shù)、新理念以控或聲控的方式來(lái)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(duì)辦公樓宇辦公室、走廊、電梯、衛(wèi)生間設(shè)計(jì)了基于CAN總線樓宇智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了樓宇智能照明控制功能。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)以STM32F407單片機(jī)為主控芯片，STM32F103單片機(jī)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(diǎn)模塊等部分構(gòu)成。當(dāng)照度傳感器將采集到的環(huán)境照度通過(guò)IIC協(xié)議傳送給STM32F103單片機(jī)，STM32F103單片機(jī)根據(jù)傳輸照度進(jìn)行運(yùn)算，然后產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)，PWM脈沖信號(hào)會(huì)送至LED的恒流驅(qū)動(dòng)電路控制LED燈的光通量。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本方案的體系架構(gòu)分為以下三層：第一層對(duì)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(diǎn)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(jī)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，終端層也可在PC終端上登錄上位機(jī)軟件界面對(duì)智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行查詢和管理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 器件選型

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

圖3 STM32單片機(jī)實(shí)物圖

2）光照度傳感器：型號(hào)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(qiáng)度的傳感器，圖4是其實(shí)物圖。該傳感器通過(guò)SCL時(shí)鐘信號(hào)端以及SDA數(shù)據(jù)信號(hào)端和處理器連接從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 BH1750光照度傳感器模塊實(shí)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(jī)連接，并且具有很高的靈敏度。感應(yīng)角度約為100 °圓錐角，感應(yīng)距離在（3 ～ 7）m區(qū)間內(nèi)是可以自由調(diào)節(jié)的，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 紅外傳感器實(shí)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(jī)的I/O口連接，其靈敏度和可靠性都很強(qiáng)，其感應(yīng)范圍可調(diào)。實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 聲音傳感器實(shí)物圖

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

圖7 CAN總線收發(fā)器模塊

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊提供（3.3 ～ 5）V區(qū)間電壓，采用AS1117穩(wěn)壓芯片。可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為16 V的直流電，然后再將16 V直流電經(jīng)過(guò)AS1117穩(wěn)壓芯片從而進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

從控制器可以為CAN智能節(jié)點(diǎn)與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及照明執(zhí)行設(shè)備對(duì)LED燈進(jìn)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(fù)雜，選用STM32103單片機(jī)從控芯片，內(nèi)部集成兩個(gè)CAN控制器和IIC接口，適合本文設(shè)計(jì)需要。

2.4 辦公區(qū)電路設(shè)計(jì)

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(lái)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(shí)時(shí)光照度，通過(guò)IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。處理器STM32F103芯片通過(guò)SCL時(shí)鐘信號(hào)端和SDA數(shù)據(jù)信號(hào)端與BH1750傳感器連接進(jìn)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(qiáng)度傳感器電路如圖9所示。采用HC-SR501傳感器采集室內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)，人體紅外傳感器可以感應(yīng)到當(dāng)前環(huán)境是否有人，若有DATA端會(huì)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(shè)計(jì)

走廊通過(guò)聲音傳感器和光照度傳感器共同作用來(lái)對(duì)LED燈的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。聲音感應(yīng)傳感器采集宇樓道聲音的強(qiáng)度，全方位檢測(cè)聲音，檢測(cè)到超出閾值的聲音時(shí)，OUT輸出低電平。聲音傳感器電路如圖11所示。通過(guò)安裝聲音傳感器和光照度傳感器來(lái)采集周圍環(huán)境的信息，沒(méi)檢測(cè)到聲波時(shí)，LED燈會(huì)保持熄滅的狀態(tài)，若有則判斷周圍環(huán)境光強(qiáng)度來(lái)進(jìn)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(shè)計(jì)

1）主控制器與上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)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(gè)區(qū)域CAN節(jié)點(diǎn)，使之控制LED燈具。而主控器把從CAN智能節(jié)點(diǎn)傳輸回來(lái)信號(hào)上傳給上位機(jī)，使數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面得以顯示。當(dāng)上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器就會(huì)讀取數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行相關(guān)指令。在讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中，主控制器會(huì)對(duì)讀取內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，若讀取數(shù)據(jù)不正確，則不會(huì)執(zhí)行該指令。

2）從控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。從控器能實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與主控制器互聯(lián)互通并且接收傳感器采集信號(hào)和控制PWM信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)LED燈具調(diào)光控制等，達(dá)到如下功能：①上電后初始化各模塊，對(duì)CAN總線上信息隨時(shí)待命；②若主控制器通過(guò)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(guān)指令執(zhí)行操縱。

圖12 主控制器接受上位機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)

本文采用Labview作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，整合各種儀器儀表控件，通過(guò)對(duì)控件加以布局、設(shè)計(jì)出用戶界面。各個(gè)控件間產(chǎn)生了邏輯上聯(lián)系，可以共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)功能的需要。為方便系統(tǒng)管理和增強(qiáng)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(duì)建筑物分區(qū)、照明類型進(jìn)行二級(jí)選擇，以完成對(duì)各個(gè)照明區(qū)精確管理。用戶管理平臺(tái)和集中控制臺(tái)之間的通信采用串口方式進(jìn)行，由用戶在系統(tǒng)啟動(dòng)之前進(jìn)行照明管理區(qū)域和燈具參數(shù)設(shè)定，保證與系統(tǒng)通信順暢。

5 結(jié)論與展望

本文主要針對(duì)樓宇智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于主控芯片的STM32F407單片機(jī)和從控芯片STM32F103單片機(jī)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(qū)動(dòng)芯片的工作電路等，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)電路進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)方案主要是包括了主控制器和上位機(jī)之間的通訊設(shè)計(jì)，從控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，各區(qū)域程序設(shè)計(jì)、CAN通訊程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)設(shè)計(jì)等配置。各區(qū)域主要指基礎(chǔ)照明功能的控制，系統(tǒng)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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。