基于STM32F103单片机的物联网节能灯控制系统设计

邱浩男

摘 要：针对高校各个教室的节能灯在使用中普遍存在的由于关断控制不节制及智能化较低造成的电力浪费问题，重点研究节能灯的智能化控制系统。文章采用STM32F103单片机完成节能灯的控制系统方案设计，使其控制系统具有节能灯的节能控制及物联网功能，基于功能方案设计，完成整体的硬件系统及软件系统设计，通过在某个高校的试验，得出该控制系统可以较好地实现对节能灯的控制，最大化节约电量的结论。

关键词：STM32F103单片机;节能灯;物联网;控制系统;设计

1    节能灯控制系统方案

本设计采用STM32F103单片机完成节能灯控制系统的方案设计。STM32F103单片机是ST公司推出的一款16位微型单片机，近年来，在工业控制、物联网行业得到了广泛应用。

节能灯控制系统实现的功能如下：（1）智能开关功能。利用STM32F103灵活的定时器PWM输出功能，实现节能灯PWM调节控制，使节能灯的控制更加稳定，减小节能灯由于常规直接满电压启动造成的冲击电流，延长节能灯的使用寿命。（2）感应功能。当有人员靠近节能灯的光照距离范围内时，控制系统可以完成及时检测，并将检测信号送入STM32F103单片机，参与节能灯的智能化控制逻辑。当节能灯周边长时间无人时，进行自动熄灭或者降低亮度处理，进一步节约电量。（3）光照度检测功能。控制系统可以完成使用环境的光照度检测，确保在白天或者光照度较好的时间内，进入熄灭或者节能工作状态，节约电力，减少浪费。（4）定时开关功能。控制系统可以完成开关定时功能，并支持夏令时、冬令时使用习惯的自动调节，整点定时开关闹铃，最大化地省去值班人员的工作量，节约人力及电力开销。

2    节能灯控制系统设计

2.1  硬件系统设计

控制系统的硬件组成主要包括：STM32F103外围系统、节能灯的功率PWM调节模块、人体感应模块、时钟电路模块、光照度检测模块、串口通信模块。

（1）STM32F103单片机及其最小系统。主要由晶体模块、复位电路、CPU组成;其中，晶体模块选用8 MHz的外部晶体并带载3 PF的独立电容，为CPU控制系统的工作提供必要的时钟基准。复位电路选用典型的RC上电复位电路，R选用103的表贴电阻，电容C选用表贴104电容。单片机CPU选用STM32F103C8T6。（2）节能灯的功率驱动模块。由光隔器件、PWM信号放大器件、磁保持继电器组成;光隔器件选用foderm 121快速光耦，实现CPU与强电控制回路之间的安全隔离作用，降低CPU控制回路的干扰信号，提高运行稳定性;PWM信号放大器件选用专用驱动芯片33996器件，可以同时支持SPI通信的16路控制信号，达到同时控制多路节能灯的目的;磁保持继电器主要用于实现节能灯主控强电回路的导通。（3）人体感应模块。选用常规SR04人体感应模块实现节能灯光照范围内的人员检测。（4）时钟电路模块。选用DS1302时钟芯片，完成上电的自动校时，实现控制系统的24 h定时和计时。（5）光照度检测模块。选用光照度检测的光敏电阻组成分压电路，并使用STM32F103C8T6单片机自带的AD采样功能，完成使用环境的光照度检测。

2.2  软件设计

软件设计包括：初始化、主循环、PWM子程序、IO中断子程序、时间子程序、AD采样处理子程序、串口中断子程序。

初始化程序完成整体CPU及相关变量的初始化处理;主程序完成整体控制逻辑的处理;PWM子程序实现基于定时器的PWM调制脉冲信号的产生于输出;外部中断实现人体感应信号的检测功能;时间子程序完成DS1302时钟器件的数据读取;AD采样处理子程序完成光敏电阻电压值的采样及处理;串口中断子程序实现后台监控平台的物联网通信报文解析。

3    实验验证

完成装置的设计及加工之后，在某高校节能灯改造节电工程应用中进行实际验证，选用校园内，使用频率较高的一桩教学楼进行试验。为了更好地确保试验数据的准确性及实际节能效果，對于实验楼，试验时间的选用确保兼顾冬令时及夏令时使用环境。实验过程中，为确保试验数据离散性带来的影响降低到最低，实验采用记录5组试验数据的处理方式。使用节能控制系统前用电量数据（kWh）如下：

一季度：5 010，5 518，5 300，5 455，5 678;二季度：4 990，4 934，5 120，5 350，5 505;三季度：4 343，4 444，4 300，4 475，4 768;四季度：3 980，3 944，3 110，3 340，3 588;

使用节能灯控制系统后用电量数据（kWh）如下：

一季度：4 444，4 508，4 320，4 420，4 230;二季度：3 780，3 678，3 567，3 898，3 778;三季度：3 017，3 003，3 012，3 080， 3 501;四季度：2 960，2 875，2 100，2 235，2 134;

通过上面的实验数据对比可以得出，使用该节能控制系统之后，一季度节电18.7%;二季度节电27.8%;三季度节电30%;四季度节电31.5%;全年节电约27%。

4    结语

本设计采用STM32F103单片机完成的节能灯控制系设计，开展硬件模块电路设计及软件模块设计，最后实验数据得出，该节能灯控制系统可以完成年度电量节约27%的用电量，对于校园节能改造具有较大的实际影响意义，同时也验证了该控制系统设计的正确性。

[参考文献]

[1]任军伟. 城市绿色照明与路灯节能措施[J].中国高新技术企业，2011（4）：106-107.

[2]李强华，尚江龙，张根宝，等.教学楼智能灯光控制系统设计[J].计算机测量与控制，2007（8）：1011-1013.