《基于STM32的智能楼宇照明系统设计》14000字

基于STM32的智能楼宇照明系统设计摘要随着人们生活方式的改变，目前的作息方式和时间安排也发生变化，人们会有不同的照明需求，而且现在人们的节能意识比较淡薄，会造成各种电能浪费的情况。为了解决这些问题、提高人们的生活质量，设计出一款智能楼宇照明系统。该照明系统可以实现距离较远的控制，主要由硬件的各个模块和软件部分共同作用。硬件部分由蓝牙模块、环境感应模块、人体红外感应模块和单片机模块组成，主要负责建筑尤其是楼宇照明系统的控制及根据环境智能调光；软件部分采用Keil编程软件，主要负责编写蓝牙控制功能、智能调光部分及传感器收集数据时所需要的程序语言，并且使用AltisumDesigner进行系统的仿真。在本设计中，软硬件的结合使得该系统能够基于STM32单片机开发板，并整合人体红外传感器和光敏传感器收集到的数据，实现根据外界环境智能调光并远程控制的功能。本设计利用各种外界信息的收集，以及智能调光和远程控制，可大大减少资源浪费，这些要素确保了该智能照明系统工作的智能化和更大程度上的满足人们的需求。关键词：照明系统；STM32;远程控制；智能调光目录1前言 11.1研究背景与意义 11.2国内外研究现状 11.3主要研究内容 22智能楼宇照明系统设计概述 32.1智能楼宇照明系统总体设计 32.2硬件的选取 32.2.1单片机模块的选取 32.2.2远程控制模块的选取 52.2.3光环境传感模块的选取 62.2.4人体感应模块的选取 72.2.5主要模块功能的实现 83智能楼宇照明系统硬件设计 93.1单片机模块设计 93.2远程控制模块设计 103.3光环境传感模块设计 113.4人体感应模块设计 123.5智能调光模块设计 133.6电源模块设计134智能照明系统软件设计 154.1主程序分析 154.2传感器收集程序设计 154.3远程控制程序设计 164.4智能调光程序设计 165智能楼宇照明系统调试 195.1传感器节点分布 195.2系统整体测试 195.3系统远程控制距离的测试 205.4功能总结 21总结与展望 23参考文献 24附录 26基于STM32的智能楼宇照明系统的设计1前言1.1研究背景与意义伴随国民经济的逐步增长，智慧城市政策的发布与实施，我国的城市化照明建设也不断地在发展，建造了一大批的高楼大厦，这些大厦为我们带来诸多生活以及办公的便利，相对应地对楼宇的照明系统也提出了更高的要求。为了缓解电能资源浪费、成本较高、操作不便和使用效果不佳等问题，故设计一款智能楼宇照明系统，通过智能照明系统，可以实现远程控制节约资源，而且可以缓解目前我国照明市场价格高昂的场面，实现智能照明系统的普及。目前较为常用的一种照明系统形式是功能单一且需近距离手动控制开关的系统，此种使用形式在应用方面大多数采用近距离控制的方式。STM32是一种功能强大、功耗较小且性能稳定的单片机，把一个拥有多种功能的计算机系统集成到一个芯片上。开发者不仅能够芯片内部独立编程，而且还可以使用官方提供的库文件根据设计进行编程，这样不仅编程方便，且简化了设计、方便移植，接口丰富且简单，程序模块化、工作速度快，是本设计实现照明系统各种功能的首选。蓝牙技术属于无线通信技术，而且至今为止发展稳定，随着时代的发展不断优化。而当今，智能化与无人化已经成为当今社会的发展主题，人们对生活质量的追求也不断提高，生活中对便捷的智能型家居的需求也是与日俱增的，目前各类智能家居产品都是以蓝牙技术为基础制作的，而蓝牙产品的出现满足了人们对于高质量生活的追求。目前STM32主控芯片已经大量的运用在和我们生活相关的各个领域，例如自动化机械、消费电子、汽车电子乃至国防军事等领域的应用。该系统可以远程控制开关，用于楼宇建筑可实现节约资源的功能；并且基于主控芯片的照明系统具有低成本、功耗低、可接外设、功能丰富、性能稳定等优点。本章将介绍照明系统的背景、国内外的研究现状以及本系统的主要目的。确定了设计的主要功能和目的，确定了整个系统的研究思路和概念。根据国内外的发展现状，设计出一套更加智能的照明系统。1.2国内外研究现状21世纪以来，进入信息化时代，智能照明技术像集成化方向发展，本系统正是基于此方向而设计的。根据国内光学电子协会统计，国内市场将保持30%以上的增长速度。近几年关于照明行业国内召开的论坛会中对智能照明建设进行商讨，为照明行业提供了新的思路与发展方向。照明行业于2018年受到经济影响，进入结构调整与产业整合的状态，2018年上半年产业的呈现两极化的趋势。之前的城观照系统都是作为景观，从杭州G20开始，再到青岛上合峰会，都对城市照明系统的功能作出了部分商讨，充分表明了国家在政策和方法上对于国内的智能照明有了关注。在现在欧美大型建筑中，对于智能照明系统的应用已经相当广泛，而国内的对此起步较晚，市场不成熟、生产代价高、相关的技术不成熟，导致在我国现阶段的市场份额占比不到百分之一。目前国内照明行业的市场现状可以说是火热但又零散的。中国照明学会第八次全国代表大会于2020年11月13日，在江苏苏州召开，会长张崇在会议中提出：践行新发展理念，推动照明行业稳健发展。在国家新基建大背景下，智能照明、文旅照明、健康照明持续发力；其中，智能照明制造业利润总额同比增长12.81%，高于全国工业15.21个百分点。国外对此领域的研究开始的更早，生产制作的经验要多，要远远高于国内。所以，中国要想在这一方面赶超国外水平，就必须借鉴国外研究的经验，取其精华去其糟粕，才能实现弯道超车。中国的照明行业的设计经历了“从无到有”的过程，目前正处于一个“由有到好”的过程，大家需要用包容的心态来看待并接受这些问题。1.3主要研究内容第一章首先介绍为什么要研究智能楼宇照明系统，该照明系统主要用来干什么；然后介绍了智能照明行业在全球的发展历程，以及国内外的研究现状。第二章是对智能照明系统的设计概述。首先介绍了智能楼宇照明系统的总体设计方案，然后对该系统的各个模块进行了硬件的选取，选择合适的部件进行该实验。第三章是对智能楼宇照明系统的硬件设计部分。该章节主要介绍本设计各个硬件部分所使用的电路设计图，并且将该系统的电路图进行连接，保证硬件部分可以正常工作。第四章是对智能楼宇照明系统的软件部分进行设计。该章节对本设计编写的主程序进行功能介绍，然后对主控芯片外围设备的数据收集以及远程控制模块进行介绍。第五章是对智能楼宇照明系统的调试。通过该章节来确定本设计是否到达要求，由此来对该系统进行改进。

2智能楼宇照明系统的设计概述2.1智能楼宇照明系统总体设计该照明系统的设计需要先搭建模块框架，基于STM32主控芯片收集各个外接传感器采集到的数据，并将收集到的数据整合后进行分析，最后达到智能调光的功能并通过无线远程控制进行操作系统达到用户的需求。图2-1智能楼宇照明系统图2.2硬件的选取2.2.1单片机模块的选取方案一首先可以选择32位微单片机STM32F103RCT6作为本智能楼宇照明系统设计的核心处理器。该单片机芯片，有本款智能照明系统设计所需要的最大工作频率：为72MHz，且拥有256KB程序存储器容量，方便多个模块信息同时存储，内置32K~128K的闪存，64KB的FLASH内存，FLASH内存具备断电保护功能，为设计过程中出现的错误保留余地；单片机有7个计时器，其中包括3个16位定时器,每个定时器中有四个通道，在本设计中可以用于收集各个模块的输入/输出/PWM脉冲等信息；且有16个死区控制和紧急刹车，一般用于脉冲驱动的电机，设置死区是为了避免功率开关控制信号反转时发生误触发，导致调光阶段效果与设计不符。该处理器相对来说价格符合本设计预期且功能齐全，完全可以实现本设计所需要的功能，其工作电压在2V到3.6V之间，同时，该处理器具有符合本设计低功耗的节电模式，能够在保证功能完善、工作性能稳定的情况下有效降低功耗。该单片机工作环境温度在-30℃到70℃之间，因此在寒冷的冬季或高温的季节可以稳定运行。选择STM32F103RCT6芯片的理由有：(1)成本低目前市场上的这种类型单片机制作技术成熟，价格低廉，与很多具有类似功能的单片机相比，该单片机不仅便宜，而且功能强大、性能稳定，可以说是8位的价格，32位的功能，所以完全可以满足本设计的工作要求。(2)技术成熟单片机是意大利电子产业的主要产品。目前，许多开发人员已经开始使用单片机，广泛应用到目前生活生产的各个领域，并通过单片机可以检索得到大量的已有的信息，从而大大节省了开发和研究成本，使用起来更加方便，使用效果更佳。(3)功耗相对较低该单片机使用cortex-m3内核优化了功耗设计，降低了功耗。图2-2STM32F103RCT6方案二采用AT89C51主控芯片。它的主要信息为：具有4KB的FLASH闪存，擦写次数为1000次，相较于STM32F103RCT6来说，存储器的空间是较小的，所以单从这一点也可以看出，STM32F103RCT6更适合本设计；定时器也是比STM32F103RCT6少的；可通过双向可控硅的门极对其导通角进行调节，从而完成对电压的控制，而电压会达到变换灯亮度的作用来进行本照明系统设计调光的目的。AT89C51单片机具备四个可调试的I/O口，也是符合本设计所需要的，但远不如STM32F103RCT6可接的外围设备多，可操作空间相对来说较少。相比于51单片机，32单片机的工艺更加的成熟，容量更大，处理数据和运行起来更快，可通过芯片内部对灯泡亮度进行控制，大大减少了51单片机对于外部条件的依赖，稳定性较强，性能方面也有了更大的提升，且外围设备的数量与存储信息量、处理数据和运行速度等方面AT89C51和STM32F103RCT6相比较来说还是存在一定差异的，因此本设计选用32单片机。2.2.2远程控制模块的选取方案一WiFi远程控制用于照明系统与手机之间的通信。它具有低功耗、高性价比的特点，也具有很多的优点：首先，WiFi主要应用在无限的局域网中，该技术可以应用在不同的楼层、智能家居、智能农场等场景，目前已经处于被广泛应用的状态；其次，WiFi模块使用的频段与蓝牙、等无线传输技术相同，都为2.4GHz。WiFi的传输范围约为10米到100米之间，具体的传输距离需要根据其所在的空间的状况进行判断。当周围环境比较复杂，障碍物较多时，WiFi的传输距离较短；当所处的环境障碍较少时，其传输距离比较长。WiFi模块的传输速率约为11Mbps，速率较低，但是完全可以应用在该智能照明系统中。WiFi相对于其他的无线传输技术相比，其传输时的传输损耗较大，受环境影响较大，导致利用WiFi技术远程控制系统时稳定性较差。本款设计最初设想利用WiFi远程控制技术通过终端对智能照明系统进行操作，利用不同区域内的网络进行连接控制，智能照明系统连接楼宇内部的网络，而终端可以连接离楼宇距离较远的网络，从而实现超远距离的控制，使但这种技术目前操作较难。目前，市面上智能照明系统远程距离控制方面，除个别专研智能家居的公司会在终端制作特定软件，家居智能系统连接家庭内部的网络，共同工作，其余较近距离的远程控制，还是会使用终端和智能家居系统在同一局域网内的技术。方案二蓝牙的工作形式和其特性满足本设计所设计的远程控制的功能，而且相对于WiFi来说更适合本设计目前规模相对较小、设计相对来说比较简单的情况。本设计利用蓝牙技术能够成功地简化设备与因特网之间的通信，也能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，使数据传输变得更加高效，可以更高效率地完成本设计的功能。蓝牙在全球通用的频段为2.4GHzISM，使用IEEE802.15协议，已经在无线个人区域网络领域发展的比较成熟，完全可以应用在本款智能照明系统中。可实现系统中固定设备、移动终端设备和楼宇内部、个人域网之间的短距离数据交换。蓝牙可以容纳设备最多不超过8台，符合一般情况中的应用，克服了数据同步的难题，为本设计进行远程控制数据同步提供了便利，这也完全满足我们对于智能楼宇建筑远程控制的需求。蓝牙设备如果可以连接成功，其主设备只有一台，从设备可以有多台。蓝牙技术具备射频特性，采用了TDMA(时分多址)与网络多层次结构，具有本设计所需要的高效传输等优势，所以目前已经被应用于各行之中。综上所述，由于无法达到WiFi超远距离的控制，而在近距离的远程控制方面，WiFi控制方式和蓝牙控制方式都可以达到相同的效果。在日常使用中，WiFi控制方式受到的限制相对于蓝牙较多，且公共网络具有一定的风险，安全性非常低、无线稳定性弱、受环境影响的程度远大于，而蓝牙使用方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗、可同时连接多个设备进行数据传输，所以本设计采用蓝牙传输方式作为无线传输模块使用。2.2.3光环境传感模块的选取光敏传感器可以优先选择光敏传感器作为本款照明系统设计光环境检测模块的元器件，光敏传感器的工作原理是可以感知外界的光线情况，将获取的数据传到STM32主控芯片中，根据个人对灯光的需求编写程序调节一个合适的亮度，是本次设计的最佳选择。为减小外界温度情况对于本设计实验结果的影响，采用两层\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的，为设计的最终实验效果提高了测试的准确性。光敏传感器具有低\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"照度响应、灵敏度高、电流随\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"光照度增强呈线性变化等特性；且传感器中还内置微信号放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大、工作电压范围宽、\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"温度稳定性好；本设计目前选用的光敏传感器采用光学纳米材料进行封装，内置双敏感元，可见光透过，紫外线截止、\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"近红外相对衰减，对外界环境的光进行了筛选，光谱响应接近人眼函数曲线，所以在采用光敏传感器进行数据采集再调节出来的光，是比较适合人眼的；符合欧盟\t"/item/%E7%8E%AF%E5%A2%83%E5%85%89%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"RoHS指令，无铅、无镉，具有安全环保的特点，为智能城市建设楼宇照明提供了安全保障。一般来说，在选择本设计所需要的光敏传感器时，需要着重考虑的因素如下：(1)将外界环境的光环境信息进行收集，光敏传感器集成的信号可以调节到符合本设计使用方便的范围内(放大器和ADC)，具有更高集成性的光传感器省去了对于外部元件(ADC、放大器、电阻器、电容器等)的需求；(2)封装大小：对于大多数应用来说，光敏传感器的封装都是越小越好。大多数光敏传感器，最常见的输出为线性输出电流。本设计是根据检测环境的亮暗度进行调节灯光，光环境的亮暗度是随时间等不断变化的，所以调节出来的灯光亮度也不会是一成不变的，也是需要根据外界光环境亮度而变化的；(3)该温度传感器测量时的房间不宜过小且环境温度不宜过高，并且该传感器长时间使用不能保持稳定，大电流情况下会自动发热，所以在测试时自身温度会有显著的提升，所以对于实际照明应用中的环境要求较高。热敏电阻由于其体积小，可以迅速稳定，不产生热敏阻力。但热敏电阻是一种抵抗设备，所有的电源正常工作都会产生热量。因此可以使用小型电源来减少热量的产生。热敏电阻不宜在环境温度过高的情况下使用，否则将会导致传感器的损坏，从而影响设计时的效果测试与应用到实际生活中时人们的体验。图2-3光敏传感器2.2.4人体感应模块的选取红外传感器使用红外线进行测量，其通过红外辐射的热效应来使得温度发生变化，从而引起传感器的某些物理参数发生变化。红外传感器大多应用在家庭或医院等场合。目前使用的红外传感器的设计电路较为简单，但是容易受到外界环境(例如温度)等的影响，需要多次进行测量，以提高测试的准确性。红外传感器可以根据红外辐射特性对红外系统参数进行设定。并且可以在夜间检测照明区域的情况，只要人在传感器8米、视野角度120°的范围内都可以被检测到，是本款智能楼宇照明系统的不错选择。使用范围：主要用于各类写字楼、住宅小区的过道楼梯、公共走廊，其使用寿命大于等于10万次，这也是本设计的一大优点，符合本款智能楼宇照明系统设计选用的标准。一般的声控灯会造成噪音，常亮灯则会造成资源浪费，而本款照明系统设计的开关可以自动接通负载，人一旦进入且不离开感应范围时将持续接通；人离开感应范围后，延时自动关闭负载，可以做到本款智能照明系统设想的人到灯亮，人离灯熄，更显示出人性化关怀，真正做到了既节能又环保，避免了声控灯开启时噪音的侵扰，是现有的声光控照明产品的完美替代产品。同时因为是通过感应人体热量控制开关，避免了无人时灯常亮的现象，避免了无效电能的损耗，达到节能的效果。本设计采用了符合设计需求的SB612A-02-001-L人体感应器，有灵敏度较高、可靠性较强、抗干扰性较好等优点，目前已广泛应用于各类自动感应的智能家居电器设备。比较适合本设计的点在于其灵敏度和光控、时延等可调，满足不同场景的需求。图2-5人体红外感应器图片2.2.5主要模块功能的实现1.单片机模块单片机外接多个模块运行，可用于驱动整个智能照明系统的运作。如蓝牙模块与终端共同作用，用于照明系统的远程控制，人体感应模块和光环境检测模块作为开启照明系统的条件等。在单片机模块内，会进行阈值的比较，通过设定数据，利用STM32主控芯片本身的PWM调光技术进行调光，可达到在一定的黑暗情况下有理想的照明度。2.蓝牙模块蓝牙模块按照实际应用中的功能来分有数据蓝牙模块和语音蓝牙模块。前者可以完成无线数据传输，是本设计所需要使用的功能，后者完成语音和立体声音频的无线数据传输，属于本设计在日后真正使用到各个楼宇照明场景时可以进行修改的部分。在该智能照明系统中，蓝牙模块主要负责数并将系统信息发送手机，利用终端通过蓝牙技术对系统进行操作。3.人体感应模块人体传感器使用人体红外被动传感器。该传感器模块主要负责在使用区域中对进行外界环境中有无人进入照明区域进行信息收集，将信息传送到STM32主控芯片中，主控芯片对数据收集分析并做出相关反应。4.光环境传感模块光环境传感器主要对外界环境中的光照亮度进行分析，这种传感器对于外界环境的光照度认知与人眼相似，所以在本设计中也是比较突出的设计点，将环境亮度信息传送到STM32主控芯片中，主控芯片对数据分析并做出相关反应。5.电源电路给整个系统进行供电。本章主要是对系统的各个模块进行了功能与是否符合本设计进行了分析介绍，并且选出了各个模块所需要的元器件，详细的介绍了各种元器件的优缺点，综合考量选出最适合本设计的元器件。通过本章可以对整个设计有一个大体的认知，大体清楚所能够实现的功能，以及这些模块组合在一起如何实现本设计的功能进行了简要说明。然后通过选出的元器件着手准备电路设计，为硬件部分的设计与之后的软件程序编写和运行奠定基础。

3智能楼宇照明系统硬件设计本章主要介绍STM32主控芯片、传感器、蓝牙等模块的设计电路。这些部件应用于智能照明系统硬件部分。3.1单片机模块设计在STM32F10系列单片机使用之前，意大利公司首先推出了“STM32基础”、“USB基础”、“补充完善装置”等一系列产品。本设计所用STM32F103RCT6的CPU主频速度高达72MHz。该单片机的RAM内存容量为48KB，程序存储器容量的大小为256KB。结合STM32平台的设计概念，该单片机可以在功能、存储器、性能、引脚数等方面满足本设计要求。图3-1STM32主电路原理图STM32F103系列的单片机(Cortex-M3内核STM32F103)拥有1MB的闪存。其电池有电控装置、CAN和USB端口。闪存微控制器使用的是Cortex-M3，它具有相对较低的功耗和实时工作状态，使其具备完善的控制与传输功能。该软件包可用于感知嵌入式火灾。MCU机型为STM32平台，可驱动电脑、游戏、空调、工业电动机。RISC的软件兼容性高达96KB，并且拥有1MB闪存和2v到3.6v的电源。STM32F103系列具有32位闪存微芯片，这得益于开发嵌入式应用软件的突破。该单片机可以用来对一些结构进行改善，可以实现精细、更快的切削反应。这些都可以与未来的工业燃料相比。STM32F103RCT6采用中密度性能线来进行数据的接收与传送。ARMCortex-M332位微型电源镶嵌在64位LQFP封装中，这提高了RISC的内核速率。其次，72MHz的工作频率和高速存储器的输入和出口也提高了该芯片的运行速率。STM32F103RCT6的模块中包含若干个数模转换器，1个PWM定时器和标准扩展接口程序，且可接多个外设，功能齐全符合本设计需求。3.2远程控制模块设计(一)蓝牙模块简介广州汇承信息科技有限公司开发的HC-02蓝牙模块(HC-02V1.1)可以与终端进行进行连接，从而达到安全可靠、且可以连接多个终端的目的。本设计为智能楼宇照明系统的设计，需要用到蓝牙进行数据的传输和利用蓝牙连接软件对系统进行控制。图3-2HC-02蓝牙工作原理图HC-02蓝牙串口模块具有高稳定性、超低功耗、兼容BLE双模等特点，是属于工业级的蓝牙数据传输模块。用户只需要通过串口连接到设备，即可进行数据的传输，数据传输速度较快，可以立即对系统进行操作。HC-02从机模块上电，可跟手机配对后连接进行数据传输。另外，可以和HC-05或HC-06主机配对码一致、默认均为1234)进行不同版本间的连接，也可以省去布线的繁琐工作，使用非常高效、灵活。(二)蓝牙引脚介绍HC系列蓝牙模块远销世界各国，整个系列的产品都是比较优良的。本设计使用的HC-02已经具有系统所需要达到的功能，功能齐全且价格较低，是本款设计的首选。图3-3HC-02蓝牙模块电路图表3-1HC-02蓝牙模块部分引脚功能图引脚名称描述1TXDURAT输出口，3.3VTTL电平2RXDURAT输入口，3.3VTTL电平11RST模块复位脚，要求不小于100ms的低电平进行复位12VCC提供3.3V电源13GNDGND14LEDCON板载LED灯控制脚，接地关闭LED灯15/26KEYAT指令设置脚17/24STATUS模块连线状态指示输出脚3.3光环境传感模块设计光环境传感模块可以利用光敏电阻器或者光线感应器，本设计使用HLPT550B3H4普通型光敏传感器，光敏电阻器可以根据半导体的光电效应制成的一种电阻值可以随入射光的强弱而改变。当照射光强度变强时，光敏电阻的阻值变小，最终系统反映出来的是符合照明区域的较弱的光，环境很亮时，系统不照明；光照射光强度变弱时，光敏电阻的阻值变大，系统最终出现的光是较亮的光。由于光敏电阻器特性是其对光的敏感程度和人眼对可见光(0.4~0.76)μm的敏感性程度是很相似的，所以只要是人眼可以感受到的光亮，都可以导致光敏电阻器的阻值发生相应的变化。在本设计中利用光感应器在开关打开的情况下根据环境的光强度将数据传送到STM32F103RCT6中，利用PWM自动调节光亮，当光强达到一定程度时就会自动关闭开关。本设计使用的HLPT550B3H4普通型光敏传感器具有特制滤光环氧树脂封装，光谱响应特性类似于人眼；随光照度变化线性输出，所以数值是不断变化的，根据这个特性设计的灯光亮度也是时刻根据外接环境的变化而变化。图3-4光敏传感器测试原理图光敏传感器具有以下注意事项和特点：注意事项：(1)不要在超出产品规格范围的情况下使用；(3)产品表面产生破损和污染会影响光电流，从而影响设计效果；避免在过于潮湿环境中使用造成元器件发生损坏；(5)强光照射下，导致光电线性度变差，所以不适宜在强光照射的环境中使用，且强光照射下照明系统不会发出光亮。特点：检测距离长，所以整个系统使用的光敏传感器较少，降低了本设计元器件的成本，实际应用中可以采用在不同光照环境放置多个光敏传感器；响应时间短，光电传感器的电路中都是由电子零件构成的，所以是不包含任何机械性的工作时间的，这就实现了本设计智能化的特点；光敏传感器中的光敏电阻，具有伏安特性、光照特性、光谱特性，这些性质确保了外界光照环境发生变化时，照明系统也会发生相应的变化，不会卡顿或者出现照明系统的光照亮度只由初始的环境亮度所决定的状况；(4)安全性高，本产品符合RoHS指令(环保指令)，在使用时较安全。本设计中光环境传感模块使用的光敏传感器的引脚有电源、接地、数据输入、数据输出，分别接到STM32F103RCT6的部分电源、接地引脚和I/O口。3.4人体感应模块设计人体红外传感器也叫做热释电传感器，原理是对系统应用范围内的人体进行检测，将释放电荷经放大器转为电压输出，最终进行数据的传输、分析。图3-6人体红外传感模块原理图本设计采用的SB612A-02-001-L人体感应模块的管脚功能说明：1.VCC：为工作电压、输入电源电压，范围是(DC3.8V-12V)。2.TEST：为输出测试脚，有输出时，是高电平3.3V；无输出时，是低电平0V。3.LOAD+、LOAD-：为负载的正负；带载电压等于VCC的电压，带载电流最大是100mA(可根据客户要求更换大电流驱动)。4.DARK_ADJ：为光控调节；顺时针调到底时，白天黑夜都感应；逆时针调到底时，晚上0Lux，才感应。5.DELAY_TIME：为延时调节：顺时针调到底时，感应输出延时2秒(最短)；逆时针调到底时，感应输出延时70分钟(最长)。备注：模块默认延时时间最短、灵敏度最高、无光控(白天黑夜都感应)。其光控端(OEN)、灵敏度端(SENS)、延时端(ONTIME)功能，使用时可根据其应用要求，合理匹配使用。3.5智能调光模块设计PWM调光方案以其高效、简单、精度高、效果好等优点受到LED从业者和客户的青睐。STM32F103RCT6芯片中PWM调光的原理是：脉冲宽度调制波通常由一列不同占空比的矩形脉冲组成，其占空比与信号的占空比相同信号的瞬时采样值是成比例的。简单可以解释为，PWM是一个模拟信号电平测量文字编码方法，方波的占空比被调制为特定的信号对信号电平进行编码。PWM的信号仍然是数字的，因为在任何时刻满幅直流电源的值要么完全可用，要么不可用，区分为高低电平，根据时间段内高低电平的占空比来调节亮度。通过把LED和PWM波浪一起打开和关闭，我们可以改变正向水流的方向以达到亮度调节的效果，这种方法基于人眼对亮度闪烁不敏感的事实。如果光明和黑暗的频率超过100，人类眼睛看到的是平均亮度，而不是LED在闪烁。3.6电源模块设计图3-7电源电路图其中5V至3.3V使用AMS1117开关电源芯片，AMS1117是线性稳压器电路，它能进行电压之间的转换，避免因电压问题而造成的失误或者隐患。内部集成的过热保护和限流电路可以确保芯片和电源系统的稳定性。其输出电压的误差极低(可以忽略)，并且该芯片可承受的最大温度为120℃，实际应用中的环境要保证。本章主要介绍了各个模块的功能与特性，通过对电路进行焊接将各个模块连接起来，构建成完整的智能照明系统。并且本章所使用的电路图均来自于AltisumDesigner。

4智能楼宇照明系统软件设计系统软件部分的设计是照明系统远程控制操作是否可以进行最终实现在芯片内部设计功能和远程控制部分的关键。在该系统设计中，有两部分需要进行软件设计。第一处为当传感器收集到的数据在STM32模块内进行阈值比较时，需要编程语言来告知阈值的多少，且分析设定在范围内系统如何反应，并通过循环函数来一次次的进行阈值比较；第二处时将判断后的数据上传给用户终端时，需要编码来编写数据发送程序，并在终端软件上设置一些可以远程控制的功能。4.1主程序分析该部分主要介绍了整个系统的工作流程。在整个过程中，需要分别进行光环境检测和有无人经过的人体红外检测，只有当光照亮度和红外的强度都达到了设定的阈值，才可以判定为开启照明系统，否则照明系统处于待工作状态。图4-1主程序流程图4.2传感器收集数据程序设计在智能照明中，需要对传感器接收到的数据进行收集。在系统的初步设计中，为了提高传感器检测距离和远程控制距离的真实性，需要分别对照明空间的光照亮度和人体红外检测进行多次的测试，最终得到照明空间的信息采集情况。智能照明系统的工作过程如下：系统工作前需要将系统初始化，保证系统不受其他因素的影响。在智能照明系统的程序设计中使用了延时函数，编程过程中最常用的是延时是微秒级延时delay_us()和毫秒级延时delay_ms()，本设计先采用的是微秒级粗延时后采用的毫秒级延时。微秒级延时：void

delay_us(u32

nus)//延时nus//nus为要延时的us数

对SysTick定时器延时进行设置：

SysTick->LOAD=nus*fac_us;

//时间加载

SysTick->VAL=0x00;

//清空计数器

SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk

;//开始倒数

while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));//等待时间到达

SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;//关闭计数器

SysTick->VAL

=0X00;

//清空计数器

微秒级延时：void

delay_ms(u16

nms)

//延时nms//nms为要延时的ms数再对SysTick定时器延时进行设置：

//SysTick->LOAD为24位寄存器，设置其最大延时为:

//nms<=0xffffff*8*1000/SYSCLK

//SYSCLK单位为Hz,nms单位为毫秒

//再内部时钟源72M条件下,nms<=1864

对SysTick定时器延时进行控制和状态寄存器、重装载值寄存器、当前值寄存器进行直接操作：

SysTick->LOAD=(u32)nms*fac_ms;//时间加载(SysTick->LOAD为24bit)

SysTick->VAL

=0x00;//清空当前计数器

SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk

;//开始倒数

temp=SysTick->CTRL;

while((temp&0x01)&&!(temp&(1<<16)));//等待时间到达

SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;//关闭计数器

SysTick->VAL

=0X00;

//清空计数器4.3远程控制程序设计硬件解析电路的复杂度随着外围设备的增加而增加。如果发射器模块的类型不同，制作模块的任何内容都不容易更改。蓝牙相比于其他的无线传输技术而言，其传输速率最高可以达到24Mbps，传输过程不需要布线，具有高效快速的优点。所以该智能照明系统使用蓝牙技术进行数据的传输。4.4智能调光程序设计智能调光模块是将外部获取到的信息汇总到STM32开发板上，利用A/D转换将信号变成可以在STM32开发板上用的信号。利用32板上的PWM调光技术，根据获取到的信息，将灯光调成我们需要的亮度。调光模块程序如下：if(openled1)//若KEY1按键按下则开灯，再按一次则关灯{TIMSetComparel(TIM1,0);//开灯(PWM占空比设置为1)}elseif(openled2)//若wKUP按键按下，可演示PWM(占空比为0-1)调光，再按一次则关灯{PWM=1-(0.377*Vout);//电压越高(光照越强)，则输出占空比越小led0pwmva1=(1-PWM)*899;1//运算之后将浮点型转换为整型，用来设置比较器的值TIM_SetCompare1(TIM1,1ed0pwmva1);//10ms中定时器的值已刷新800次，即PWM比较800次}elseif(openled4)//释放基于PWM原理的呼吸灯{if(openled5==1){led0pwmval=led0pwmva1-20;if(led0pwmva1<=0){led0pwmval=0;open1ed5=0;}TIMSetComparel(TIM1,led0pwmval);}//由暗变亮else{led0pwmval=led0pwmva1+20;if(led0pwmva1>=899){led0pwmval=899;open1ed5=1;}TIM_SetComparel(TIM1,led0pwmva1);}//由亮变暗}elseif((Test>3)G&(openled3==1));//在黑暗情况下有人经过{TIM_setComparel(IIM1,0);//开灯(PWM占空比设置为1)}else//关灯{openled3=0;TIM_SetComparel(TIM1,899);//关灯(PWM占空比设置为0)}

5智能楼宇照明系统调试本章主要对该设计的实用性进行测试。测试前，需要向不同的测试地点布置不同数量的传感器；其次，该测试主要包含对本设计的整体测试、传感器感应灵敏度和终端软件远程控制距离三部分的测试。5.1传感器节点分布智能照明系统需要对应设置适当距离的测试节点，以保证测试结果的准确性。节点越多则本设计所需要的成本相对应会越高，整个系统的数据分析和传输压力会越大。人体红外传感器根据工作范围和测试空间大小决定放置数量：当测试空间的面积较小时，可在不同光照环境下放置光敏传感器；当测试空间超过10平方米时，至少需要放置3到4个传感器。光敏传感器根据光照环境的不同适当放置。5.2系统整体测试在主板上通电后，主板与各个模块与软件开发工具Keil5协同工作，共同搭建起该设计。调试前，需检查各个模块和蓝牙模块是否可以正常工作。图5-1照明系统工作实物图图5-2终端界面图使用蓝牙模块APP，对需要实现的功能进行程序编写，最终实现本设计的功能。设定好功能时，打开APP，当终端为初始状态时，先按照本设计的预想的功能与操作演示需要设定三个选项，分别用于远程控制照明系统、系统工作时PWM调光对环境亮度变化时灯光亮度的调控、PWM调光模块对从暗到亮、从亮到暗的呼吸灯。当需要远程对灯进行操作时，可以通过在蓝牙的工作范围内连接蓝牙对系统进行控制，按照设置好的三个按钮对系统进行操作，其中PWM演示为展示灯光亮度在不同光照亮度的环境中变化的选项，呼吸灯是生活中常见的灯光亮度由暗到亮的类似于人呼吸的灯光变化，最主要的可以实现远程开关灯，节约资源、满足人们的开关灯需求。5.3系统远程控制距离的测试对该系统进行距离测试，获取该智能照明系统蓝牙远程控制模块在不同空间内信息传送的距离和对系统的控制距离。首先，将照明系统放置在无障碍物的空间内，测试者手持终端控制机逐步远离该照明系统，观测终端是否接收到照明状况的信息以及是否能够操控照明系统；其次，将照明系统放置在障碍物空间内，测试者手持终端控制机逐步远离该照明系统，观测终端控制机是否接收到照明状况的信息以及检测是否能够操控照明系统。表5-1智能照明系统远程控制距离测试(存在障碍物)距离/米3691215响应√√√××测试结果表明，在存在障碍物的测试空间内，当传输距离在9m左右时，本系统能正常响应，该设计能够满足所需的要求；大于12m时，传输的情况不确定，需要进一步的测试。表5-2智能照明系统远程控制距离测试(存在障碍物)距离/米101112131415响应√√××××通过表5-2可知，该智能照明系统在存在障碍物的空间内进行测试时，当测试距离为11米时，可以接受到数据；当测试距离为12米时，数据的传输将会出现错误。所以该智能照明系统在存在障碍物的空间内的最大控制距离为11米，超出此距离，数据的传输将会出现错误。表5-3智能照明系统远程控制距离测试(无障碍空间)距离/米912151821响应√√√××测试结果表明，在无障碍空间内时，当测试距离在15m左右时，本系统能正常响应并可以进行远程控制，设计满足要求；大于18m时，传输的情况不确定，需要进一步的测试。在不存在障碍物的空间内测试时，当测试距离在大于15米小于18米时，该智能照明系统的控制距离不够明确。因此，需要在此距离范围内做进一步的测试。表5-4智能照明系统远程控制距离测试(无障碍空间)距离/米141516171819响应√√√×××通过表5-4可知，该智能照明系统在无障碍物的空间内进行测试时，当测试距离为16米时，可以接受到数据并可以对照明系统进行控制；当测试距离为17米时，数据的传输将会出现错误，也无法控制系统。所以该智能照明系统在无障碍物的空间内的最大传输距离为16米，超出此距离，数据的传输将会出现错误。由此可知，数据传输的距离受到空间地形的影响。当传输时的空间内无障碍物时，传输的距离较大；相反，当传输空间内具有较多障碍物时，传输的距离将会大打折扣。5.4功能总结该智能照明系统由传感器模块、蓝牙模块模块、智能调光模块以及单片机模块组成。该照明系统控制器具有测试周围环境相关数据，上报数据，分析照明系统是否可以按照设计预想实现照明功能。并通过蓝牙将系统与终端软件连接起来进行远程控制。其中，传感器模块主要包括光敏传感器、红外传感器，光敏传感器的主要功能是收集照明范围内的光照亮度，人体红外传感器主要测定环境中有无人体经过；蓝牙模块主要负责将该照明系统系统中的各个模块(如：单片机模块、传感器模块、智能调光模块)进行连接，使其可以远程对系统进行控制。蓝牙模块主要将该照明系统的信息发送给终端，提示照明系统功能实现的状况并对系统的照明情况进行控制；单片机构成了该智能照明系统的主板，在单片机内部设置阈值，一旦传感器收集到的数据达到阈值，单片机就会判定此时所测的环境发生了是否符合灯光照明的条件。该照明系统可以实现智能地发出适合人们活动地各种照明度。总结与展望从近几年的发展状况可以看出，智能城市化建设工程中楼宇越来越多，楼宇照明也变得尤为重要。所以在生活中，智能化照明也应该变得更加普及。在各家各户拥有一个智能楼宇照明系统，对于提高民众的生活质量和人民幸福感有重要作用，良好的照明环境对家庭对每个人的视力也进行很好的保护。为了更智能地避免照明系统的不合理带来的问题，故需要设计一种智能且价格、使用效果容易被大众接受的照明系统。该智能照明系统采用了蓝牙模块、光环境检测模块、人体感应传感模块、单片机模块共同作用。其中，传感器模块采用光环境传感器和人体红外传感器，主要用来对所测空间内的光照亮度以及有无人经过等进行测量；蓝牙模块主要用来进行远程控制，将用户个人照明需求通过蓝牙模块对梓潼进行控制；单片机模块采用STM32F103RCT6单片机，主要负责控制整个系统的运行，收集外接传感器的信息并转化为内部可用信息，将信息分析后进行调光。相对于其他的无线传输技术(WiFi、ZigBee)而言，蓝牙使用条件相对宽松，受外界环境的控制相对减少，且目前蓝牙技术比较成熟，安全性较高，能够满足设计需求。该智能照明系统各组成部分分工明确，条理有序，且各个模块的元器件成本低、功耗低、使用寿命长，保证了本款智能照明系统的整体使用效果和接受程度，在智能化城市建设中更容易普及。同样的，本设计也有缺点。首先，该家庭智能照明系统因为目前无法不受距离限制的实现超远程WiFi控制的功能，限制了使用范围，在换用了蓝牙技术之后，由于蓝牙技