基于STM32的智能照明监控系统的设计与实现
发布时间：2022-02-26
摘 要: 针对高校教室照明方式存在能源浪费、室内光强不足或过剩及管理落后等现象，设计了基于 STM32 的高校教室智能照明监控系统。系统以 STM32F103-VET6 控制器为核心，以 LED 灯为控制对象，由红外模块、光检模块和 ZigBee 无线通信模块等组成。采用分区域控制方式，调光系统使用单神经元自适应 PID 算法，通过检测室内自然光强度和人员信息，控制器可根据智能算法实现灯具的自动开关和自动调光功能。测试结果表明，该系统运行稳定，可根据教室使用情况实现灯具的自动开关及准确调光，且每间教室内信息实时发送至上位机实现集中监控，达到智能化照明和节约电能的目的。
关键词: 智能化照明; STM32F103-VET6; ZigBee; 单神经元自适应; 节能
0 引言
随着教育事业的快速发展，高校已然成了重要的用电大户。高校的节能对引导全社会的节能工作和提高全国的节能意识具有重要意义[1]。国家“十二五” 建设规划中，将节能工作列为重点。在中央提出“节约型社会”、“智慧城市”的号召下，建设“智慧校园”和 “节约型校园”的工作提上日程[2]。我国大学校园的教室灯多采用普通开关控制。由于上课时间比较自由，在白天光照充足的情况下，教室经常出现无人明灯的现象，无形中造成大量的电能浪费[3-5]。以西安建筑科技大学教学楼为例，教室无人或只有人员较少时，教室灯具全开并且光照强度达不到照明规范要求; 因为教室数量众多，在晚间关闭楼门时，教学楼物业人员需逐间教室去关灯，对教室灯具不能集中管理，造成了电力和人力的浪费。
针对以上情况，为了更好节约电能、提高灯控系统智能化程度、方便学校物业人员集中管理教学楼，本文设计了一种基于 STM32 控制器的高校教室智能照明监控系统。
1 总体设计方案
教室灯具布置一般采用水平均匀分布，照明采用分组控制[6]。该系统根据教室内人员分布情况控制相应区域的照明灯具，以满足局部照度要求。本文以西安建筑科技大学教学大楼的教室为例，根据灯具布局情况划分相应的区域，在每个灯具上安装一个红外模块检测该区域人员存在信息。教室区域分布如图 1 所示。利用光检模块检测教室内各区域的光强，利用红外模块检测人员存在信息，将采集到的数据传送给 STM32 单片机进行处理。
系统由 STM32 控制器、数据采集模块、无线传输模块及上位机终端组成。总体设计方案如图 2 所示。
教室 控 制 终 端 由 STM32 控 制 器、驱 动 电 路 和 ZigBee 采集模块组成。采集模块分为红外模块和光检模块。无线通信模块采用处理器 CC2430。上位机终端设置在教学楼值班监控室，用来接收和实时显示教室照明信息，实现远程监测与控制。当红外模块检测教室有人，且光检模块检测到室内光照强度不足时，控制器根据设定的智能算法发出开灯控制指令，并根据自然光强大小对教室灯具亮度进行准确调节，以达到预设值。系统通过无线通信模块将室内信息发送给上位机，物业人员可通过上位机查看每间教室的照明情况，并进行远程监控。本系统兼容了自动模式与手动模式，自动模式便于教室自动化操作，手动模式便于在特殊环境下人性化操作。
2 系统硬件设计
本系统以 STM32 控制器为核心芯片。硬件电路系统结构如图 3 所示。
2. 1 电源模块
由于各芯片的工作电压不同，需要将 220 V 交流市政供电转化为各芯片所需要的工作电压。本文中无线通信模块需 5 V 供电，STM32 控制器需 3. 3 V 供电。电源模块硬件电路如图 4 所示。电路中的 220 V 交流电经变压器 220 V/12 V，在保险丝 F1 的保护下，转变为 12 V 交流电输出; 然后，经桥式整流、电解电容滤波和稳压芯片 LM7812 后，转变为平稳的 12 V 直流电; 最后，将12 V直流电经稳压芯片 LM2596 转换成 5 V 直流 电，再 经 稳 压 芯 片 AMS1117 转 换 成 3. 3 V 直流电。
2. 2 LED 驱动电路
本系统采用节能的 LED 灯作为教室照明光源，围绕 PT4115 芯片设计 LED 驱动电路。同时，系统使用脉冲宽度调制( pulse width modulation，PWM) 调光，在单位时间内反复接通和断开 LED 电流，调节发光亮度[7-10]。驱动电路如图 5 所示。DIM 端外接 STM32 控制器 PA1 端口，通过输出 PWM 脉冲进行调光。开关频率通常要大于 100 Hz，使得 LED 闪烁不易被人眼察觉。
2. 3 光检模块电路
光检模块电路采用光照强度传感器。端子 9 外接光照强度变送器。采集到的 4 ～ 20 mA 电流信号通过物理电路转化为电压信号，并被传送至控制器的内置 A/D 进行模数转换处理。STM32 控制器的工作电压为 3. 3 V。经过计算，在设计中选用 150 Ω 电阻 R9，即可满足控制器可接受的电压取值。光照强度采集电路如图 6 所示。
2. 4 红外模块检测电路
本系统使用 HC-SR501 型号红外传感器。该传感器检测 范 围 为 4 ～ 14 μm，包含人体红外辐射波长 9. 65 μm[10-11]。输出高电平为 3. 3 V，低电平为 0 V，可满足控制器的电压取值。 2. 5 无线通信模块 ZigBee 是以 IEEE 802. 15. 4 为基础的一组涉及网络、安全和应用的软件协议[11]。无线通信模块采用 TI 公司的 ZigBee 无线通信模块 CC2530，内置射频( radio frequency，RF) 转换器，并结合增强标准型 8051MCU，具有可编程的 256 B 闪存、8 KB 的 RAM、两个通用异步 收 发 传 输 器 ( universal asynchronous receiver/ transmitter，UART) 接口、可复用 SPI8 通道的模数转换器( analog-to-digital converter，ADC) 、21 个通用输入/输出 口 ( general-purpose input / output ports，GPIO ) 等[12-13]。CC2530 的 供 电 电 源 为 3. 3 V，通 过 串 口 与 STM32 控制器进行通信。
3 系统软件设计
软件设计主要是将控制逻辑嵌入控制器中，使整个系统按照所设计的控制流程运行，包括主程序设计、ZigBee 节点程序设计和控制算法程序设计。
3. 1 主程序设计
控制器主程序为整个控制系统的核心，其流程如图 7 所示。系统上电后，首先对其进行初始化，然后设置手动模式或者自动模式。在手动模式下，可按照实际教室灯具使用情况进行合理配置灯具。在自动模式下，每个区域的传感器检测人员存在信息。若有人存在并且该区域的光照强度达不到预设值，单片机则控制灯具打开。根据自然光强度与预设值的偏差量，调用算法进行调光动作。若该区域有人但是光强满足预设值，则不打开灯具。以上所有的光强预设值均根据照明规范要求设定。
3. 2 ZigBee 终端节点软件设计
ZigBee 终 端 节 点 主 要 负 责: 申 请 加 入 ZigBee 网络; 与 ZigBee 协调器进行数据传输，终端节点之间无法进行数据交流。当控制器采集教室内数据信息并将其传输至终端节点后，灯具使用信息将被打包发送至协调器，并等待其确认的命令帧。如果在程序设定的最大等待期限内没有收到协调器的确认命令帧，则需要重新发送，直到通信成功。ZigBee 终端节点程序流程如图 8 所示。
3. 3 基于单神经元自适应 PID 调光算法设计
单神经元自适应 PID 神经网络是一个多输入、单输出的两层网络。其具有自学习能力，并可以在一定程度上解决传统 PID 调节器参数不易在线实时整定的问题。该设计同样适用于参数时变、非线性、强耦合的复杂控制系统[14-15]。单神经元 PID 结构如图 9 所示。
4 结束语
基于 STM32 单片机，本文设计了教室照明智能控制系统。该系统较好地实现了教室灯具根据人员存在信息而自动开关灯的功能，加入了单神经元自适应 PID 调光算法，很好地实现了快速有效的调光。该系统有效解决了“长明灯”、室内光强过剩和管理落后等问题。通过计算机端人机交互界面，将采集的教室内的情况实时进行显示，便于教学楼管理人员对教室照明集中监控，节省了人力、物力。测试表明，该系统各个模块可有效、稳定运行。——论文作者：刘敏层，张 峰
参考文献:
[1] 陈建智. 基于电力线载波通信技术的高校教学楼智能照明控制系统[D]. 锦州: 辽宁工业大学，2014.
[2] 刘宁宁. 教室照明智能控制系统的研究与开发[D]. 天津: 天津大学，2014.
[3] 周康，张文斌，李帅，等. 基于 STM32 的教室智能灯控系统设计[J]. 物联网技术，2016( 6) : 87-90.
[4] 俞建. 基于 ZigBee 无线传感网络的 LED 智能照明控制系统的研究[D]. 杭州: 浙江工业大学，2012.
[5] 吴睿. 智慧照明系统研究与实现[D]. 成 都: 电 子 科 技 大学，2015.
[6] 刘亚，陈建威，王龙. 基于 ZigBee 的智能照明系统设计[J]. 南方农机，2017，48( 16) : 6-7.
[7] 申利民，翁桂鹏. 基于 ZigBee 的智能小区 LED 路灯控制系统设计[J]. 中国照明电器，2011( 2) : 26-29.
