基于STM32的教室智能灯控系统设计

周康 张文斌 李帅 杨峰

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。

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

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

串口转无线模块的电路以STM32单片机作为控制核心，包含USB转串口电路和2.4 GHz无线传输电路。

2.3.1 USB转串口电路

USB转串口电路如图4所示，该电路基于CH340设计。CH340是一种USB总线的转接芯片，实现USB转串口等功能，在本实验中解决PC机的USB接口与单片机之间的通信问题。STM32F103RCT6提供 5个内置的串口通信模块，可方便地与CH340连接，采用两线连接串口方式，分别将STM32F103RCT6的PA.9（U1_TX）、PA.10（U1_RX） 与 CH340 的 P4（RXD）、P3（TXD）连接。P6（UD+）、P7（UD-）为USB差分信号。

2.3.2 2.4 GHz无线传输电路

nRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，可以实现点对点之间的无线数据通信或是一对六无线数据通信，其无线通信传输速率为0～10 Mb/s，有125个可选工作频道，且为单片机系统预留5个GPIO和1个中断输入引脚，适用于单片机系统构建无线通信功能[4]。

3 系统软件设计

系统软件设计整体上可分为教室控制终端软件设计、串口转无线模块软件设计、上位机控制终端软件设计。本文主要介绍教室控制终端和上位机控制终端的程序软件设计，同时介绍光敏传感器采集的电压值（ADC采集）与光照强度（单位：勒克斯/lux）之间的对应关系。

3.1 电压值与光照强度的转换

由于光面传感器采集的信号是电压值，而国际上常用的计量单位是勒克斯。因此我们在室内外进行了实验，在光照相同的情况下同时用光照度计和光敏传感器采集多个样本。本文主要介绍室内的情况。经过Matlab处理后得到图5所示的标准光照度与光敏传感器ADC值的关系，同时拟合得到对应关系：y=2.66×107x-1.68。由《国家建筑照明设计标准（GB 50034-2004）知教室的光照度应为150～300 lux，我们采用230 lux为光照阈值。当光照度大于230 lux时，则认定教室光照充足。

3.2 教室控制终端的程序设计

控制终端的整体控制程序主要包括主程序、外部中断。其中主程序主要负责时间、光照等数据的读取和传输，教室控制终端程序流程图如图6所示。外部中断用于响应上位机控制终端通过串口转无线模块发送的操作指令；采用中断的方式使节点能够准确响应外部操作命令，避免因查询法丢失用户命令的情况出现。

3.3 PC上位机控制终端的程序设计

上位机控制终端的程序主要包括发送数据和接受数据部分，PC上位机控制终端程序流程图如图7所示。其中发送数据部分负责通过串口转无线模块发送操作指令给下位机，主要实现手动模式的开灯和关灯操作；接受数据部分负责采集单片机发送的原始数据，并将其数字化，以直观的形式将灯光状态和环境光强度进行实时反馈，简化了管理员的操作。

3.4 基于Qt编写的PC上位机

软件部分的上位机由管理员登录界面和管理界面组成。本文主要介绍图8所示的PC上位机管理界面。

管理界面的左上方用于设置相关参数，包括串口、波特率、教室号等；左下方可以显示当前时间便于提醒管理员；右面上半部分是当前教室灯光状态和光强的实时显示；右面的下半部分是功能选择，可自由切换。其中功能包括自动和手动两种模式。自动模式不需要人工干预，能根据教室人数和光强自动判断是否开关灯；手动模式则可以按照管理员的意愿自由实现开灯和关灯的操作，远程操控给管理员带来了极大地便利。

4 实验验证

所有准备工作做好以后，我们在一间5 m × 6 m的教室进行了实验。其模型如图9所示。

将教室化为4个区域，每个区域都有一组传感器。一组传感器包括一个热释红外传感器和一个光敏传感器。区域内的照明灯连接继电器，继电器连接到单片机。教室控制终端通过NRF无线通信连接到PC上位机端。实验结果如下：

（1）自动控制模式。上午九点钟，教室光照充足。从a点依次走过b点、c点及d点，灯一直没有打开。

（2）自动控制模式。上午九点钟，拉上窗帘，教室光照不充足。从a点依次走过b点，区域A和B的灯都亮了。一段时间后，A区域的灯熄灭，B区域的灯依旧亮着。

（3）自动控制模式。和教学楼管理人员协调，晚上十一点半以后进行试验，从a点依次走过b点、c点及d点，灯一直没有打开。

（4）手动控制模式。区域A、B、C和D的灯能够根据上位机的操作打开或者关闭。

实验结果达到预期目标。在自动控制模式下当且仅当满足教室里有人；教室内光照不充足；教学楼开放的时间段条件时灯才会打开。

5 结 语

本系统较好地实现了教室无人或者光照充足时或教学楼关闭时间段自动关灯，有人到来且光照不足时自动开灯的功能，并且实现了PC上位机控制端控制每个教室的照明灯。上位机可以方便教学楼管理人员开启与关闭教室的照明灯，同时也可以统计教室使用率，统计学生上课和自习的情况等。

以西北工业大学长安校区教学楼为例介绍本系统的节能效益。全教学区约有C=297个教室，按照平均每间教室18盏灯计算，得总盏数c=5 346盏；学生在早晨7点到晚上22点30分使用照明灯，假设平均每天浪费电能的时间为t=1小时；一根照明灯管的工作功率P=40 W，每一盏灯包含m=2根灯管；一年用电天数y=270天（除去寒暑假期）；据陕西省物价局数据显示，陕西电网居民生活和农业生产用电价格为p=0.498 3 元/度。计算一年时间西北工业大学长安校区教学楼用本系统可节约电能为：W=P×m×c×t×y÷1 000=115 473度，节约电费M=W×p=57 549元。由此可知，此系统有很大的推广应用价值。

参考文献

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