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基于STM32的教室智能灯控系统设计

作者：周康 张文斌 李帅 杨峰 来源：《物联网技术》2016年第06期

摘 要：针对学校照明用电浪费严重、人为手动控制不便的问题，对自动控制和手动控制相结合的教室照明控制系统进行了研究。提出了一种以STM32芯片为核心、采集多种传感器信号的控制终端，然后把每间教室的控制终端组成网络接入上位机的智能灯控系统设计方案。文章从单片机硬件设计、单片机程序设计和基于Qt的上位机控制程序设计三方面详细介绍了系统。最后达到了远程控制、节约用电、提高资源利用率的目的。经过控制变量法的实验验证，并进行了系统功能的分析，实验结果和预期效果一致。 关键词：智能灯控；多传感器；单片机；上位机；远程控制

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-04 0 引 言

随着我国教育业的发展，学校照明用电量急速增加，电能损失也呈现出增大的趋势。目前，国内外照明自动控制装置基本都采用被动的人体感应探测、可见光探测、热释电红外探测、声音探测等方法，但这些均存在一定的不足[1]。首先是方式单一，没有主动探测器，或虽有主动探测器，但灵敏度不高，经常出现教室无人时照明灯却一直工作以及有人情况下灯却熄灭的情况；其次，此类系统比较分立，网络化程度不高，无法实现对全部教室的统一管理[1]。

同时，国内大、中、小学校教室以及公用区的照明灯具控制大多采用普通开关， 即使学校进行严格管理， 仍不可避免地出现忘记关灯的现象， 特别在白天情况下更是如此， 从而造成了大量的能源浪费。此外， 各种照明灯具都具有一定的使用时限， 在白昼光线充足的情况下继续使用照明灯具， 必然会缩短各种灯具的使用寿命[1-3]。以西北工业大学长安校区教学楼为例，经常出现教室里空无一人或者只有一两个人，但教室里的所有照明灯都打开的现象，同时，教学楼物业管理人员每次晚自习闭楼时需要一间一间去关灯，势必造成电能和人力资源的浪费。

为了更好地达到节能降耗、提高智能化程度、减轻管理员工作负担的目的，设计了基于STM32的教室照明智能灯控系统。该系统的特点是，利用光敏电阻检测室内不同地方的光照强度，利用红外热释电传感器检测人体，采用以STM32单片机为核心设计具有数据采集和处理装置功能的控制终端，而每间教室的控制终端接入基于Qt实现的上位机组成网络，能够实现在教室无人或者光照充足时自动关灯、有人到来且光照不足时自动开灯的功能，物业管理员可以查看每间教室的照明情况，通过上位机远程控制关闭教室照明，采取自动和手动相结合的方式实现对教室照明的智能控制。

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1 系统整体设计及工作方式

系统整体设计方案如图1所示，主要包括PC上位机控制端、串口转无线模块、教室控制终端和传感器等自动控制信号源四个部分。

结合图1可知系统有自动控制与手动控制两种工作方式。 1.1 自动控制

自动控制信号源包括热释红外传感器、光敏传感器和时钟模块。热释红外传感能够感应教室里是否有人，光敏传感器感应教室里的光照强度，时钟模块能够提供秒、分、时、日、周、月、年的信息。在自动控制模式下，当且仅当满足如下条件时灯才会打开： （1）教室里有人； （2）教室内光照不充足； （3）教学楼开放的时间段。 1.2 手动控制

用户可以在PC上位机控制端的操作界面上对教室内的照明灯进行控制，比如对某间教室的灯进行开关，或者对所有教室的灯统一开关。并通过串口转无线模块将用户指令无线传输给指定的教室控制终端，教室控制终端完成相应的通断动作。 2 硬件电路设计

智能灯控系统硬件由教室控制终端和串口转无线模块两部分组成。 2.1 微处理器

微处理器选用基于Cortex M3内核的32位增强型闪存微处理器STM32F103RCT6作为控制核心。其丰富的片上资源大大简化了系统硬件，降低了设计成本[4]。 2.2 控制终端设计

控制终端的硬件原理框如图2所示，可看出整个电路以STM32单片机作为控制核心，包含电源转换模块、继电器控制电路、2.4 GHz无线传输电路和传感器等自动控制信号源等。 2.2.1 电源转换模块

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电源分为市电电源220 V；继电器控制电路的5 V电源；单片机等模块的3.3 V电源三个部分。

（1）市电220 V交流电主要给教室内的照明灯供电，另一方面经过降压、稳压和整流后给控制终端供电。

（2）对于5 V电源部分，因为开关电源的尺寸远小于降压稳压模块电路，具有很好的输出效果，输出功率满足系统工作要求，因此插座节点采用的供电方式为开关电源模块供电。采用220 V交流供电输入，输出500 mA电流值的5 V电源[4]。

（3）对于3.3 V电源部分，采用 AMS1117模块进行电源转换，加入滤波电路， 使电源转换更平稳。AMS1117具有固定输出电压，低漏失电压（1 A输出电流时仅为1.2 V），限流功能，过热切断，工作温度范围宽（-40～125℃）[4]等特点。 2.2.2 继电器控制电路[4]

继电器是一种电控制器件，当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。本电路中继电器可实现弱电控制强电，即单片机5V输出电压可以控制220 V交流电。 2.2.3 DS1302时钟电路

考虑到本系统停电时需为时钟电路提供电源，故采用具有充电能力的实时时钟芯片DS1302。该芯片对年、月、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5 V～5.5 V。

2.2.4 光敏传感器电路

光电传感器是一种能够将光转化为电量的传感器。光敏电阻电路除了具有将光信号转化为电信号的功能外，还具有通过LM393芯片对电信号进行放大的功能。在无光条件或者光强达不到设定阈值时，OUT端口输出高电平，当外界环境光强超过设定阈值时，OUT端口输出低电平。光敏传感器电路图如图3所示。 2.2.5 热释红外传感器电路

热释红外传感器是基于红外线技术的能够感应人体的自动控制模块。本文采用HC-SR501型号的传感器，其采用德国原装进口LHI778探头，具有灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式的特点。

2.3 串口转无线模块设计