基于STM32的智能照明监控系统的设计与实现

刘敏层，张 峰

(西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055)

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。

图1 教室区域分布图

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。

图2 总体设计方案图

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。

图3 硬件电路系统结构图

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。

图4 电源模块硬件电路图

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。

图5 驱动电路图

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。

图6 光照强度采集电路图

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。

图7 控制器主程序流程图

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。

图8 ZigBee终端节点程序流程图

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。

图9 单神经元PID结构图

图9中：转换器的输入为光照强度设定值Qr(k)和感应灯具亮度的输出Q(k)；转换器的输出为神经元学习控制偏差量所需要的状态量X1(k)、X2(k)、X3(k)，分别代表设定值与实际输出的偏差、偏差积分、偏差微分。

(2)

P(k)=X1(k)=Qr(k)-Q(k)=W(k)为性能指标。 神经元通过关联搜索来产生信号，即:

(2)

式中：K为神经元的比例系数，K>0。

监督式Hebb学习算法可以更好地保证调光控制器的收敛性和鲁棒性。

(3)

式中： ∂P、∂I、∂D分别为比例、积分、微分的学习速率，取值一般在 0～1 之间[16-18]。通过调节参数，从而更加精确地调节PWM占空比的输出。

下位机采集到的各个数据信息通过无线通信技术发送至上位机。测试结果表明:系统能够在有人的情况下自动打开灯具并快速调节亮度，达到了节能的目的。

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。