基于STM32的智能室内光照控制系统

摘要

进入到21世纪的时代，经济持续快速发展，人们生活的质量显著提高，“绿色健康生活”这一理念已经成为现代人的热门话题。相对于传统的家居用品，人们更倾向于使用“智能化”、“多功能”、“自动化”的智能家居用品，其中智能家居照明系统就是典型之一。它能有效率，方便地管理室内照明情况，不需要每次手动开关，提供了科学的管理系统，以达到减少耗能、绿色生活的目的。
基于上述情况，本人毕业设计选题是智能室内光照控制系统。该系统以STM32F103C8T6单片机为采集和数据处理核心，通过串口通道的方式对采集的数据进行传送。有光敏传感器和声敏传感器实时对现场环境进行数据的采集，并通过蓝牙的方式发送到另外一块辅板上，在辅板上实时对数据做出正确的反应，并且加了一个继电器去模拟窗帘的控制，使得采集到的数据更好的得以利用。这样方便用户更科学，更节能的对室内照明进行管理。
关键词：智能室内照明，STM32，蓝牙

1 系统总体设计

本次系统的总体设计主要有硬件设计部分和软件设计部分这两大模块。硬件设计部分主要有STM32F103C8T6单片机，光敏传感器，声音传感器，串口，蜂鸣器，继电器组成。软件设计部分主要由STM32的初始化设置，采集数据并且进行发送，接收，LCD屏的显示组成。
其中STM32主要通过串口通信，从光敏传感器和声音传感器上采集数据并把数据从主板上通过蓝牙发送到辅板上，从而实现根据当前环境的明暗程度以及声音值的因素，通过在辅板上的灯以及继电器模拟窗帘的灯显示出来，更好，更科学地管理室内照明灯；其次，管理员也可以通过手动设置室内照明灯的开关时间。系统整体架构图如图2-1所示。

图2-1 系统整体架构图

2 系统需求分析

2.1 智能室内照明使用现状

依托网络技术及通讯技术的发展，华为、小米等大品牌企业提出了数字化家居这一概念，并研发了一系列数字化家居产品。数字化家居作为集人类通讯、网络、建材、安放、家居等行业发展于一体的智能化产品，受到市场各大行业的青睐，而智能照明作为数字化家居的其中之一，也逐渐被企业重视起来。
智能照明产品已开始在我国范围内广泛试用，其高效的照明效率、极低的电力损耗、简单便捷的操作、轻松的管理等优点，给人们生活带来便利的同时，也更加符合社会发展的实际需求，大幅降低人力成本和财力资源。
目前智能照明市场还处于萌芽阶段，消费市场比较有限，多数消费者对这种新型技术产品还处于观望状态。但从种种的社会迹象综合分析，通讯技术、网络技术的发展，生活水平的提高，传媒业的飞速发展和高度结合，都将推动更多的消费者购买使用智能照明系统产品。

2.2 用户需求分析

对于智能室内照明控制，用户需求基本分析如下：
（1）光照控制：根据当前环境的明暗程度自动控制灯的亮灭。
（2）声音控制：能够根据当前声音值的大小自动控制灯的亮灭。
（3）报警：当灯出现故障的时候，蜂鸣器能够发出响声提示用户。
（4）手动设置：除了自动模式，应该有手动设置灯的开关时间。
（5）节省人力物力资源，便于更好的管理。
因此，系统要实现的主要功能内容应包括：光敏传感器和声音传感器的数据采集，模数转换的处理，故障报警，按键设置。
为了实现以上功能，初步确定本次系统设计将采用STM32F103C8T6单片机作为主要的控制核心，以实现用户需求分析的基本功能。

3 系统硬件实现

3.1 硬件总体设计

硬件部份包含功能模块分别是：
主板：一个STM32F103C8T6单片机、光敏传感器、声音传感器、LCD1602显示器、独立按键、无线蓝牙收发器。主要是实现通过传感器采集数据，可以在时间模式下按键设置开关灯时间，在LCD屏上显示具体的数据的功能，通过蓝牙发送数据到辅板上。

图3-1主板系统总体接线图
辅板：一个STM32F103C8T6单片机、LCD1602显示器、LED灯、蜂鸣器组合声光报警器、独立按键、无线蓝牙收发器。主要实现根据当前环境的明暗程度LED亮灭以及模拟窗帘的开关，当产生故障的时候，蜂鸣器发出警报，在LCD屏上显示具体的数据的功能，通过蓝牙接收主板发送过来的数据。然后将一个个硬件模块线连成整一个硬件设计部分。

图3-2辅板系统总体接线图

3.2 硬件实现效果

最终硬件系统搭建完成的实物图如图3-9所示。

图3-9 硬件系统实物图

4 系统软件实现

4.1 系统设计流程

系统的软件设计流程图如图4-1所示：

图4-1系统总体流程图

5系统调试

在软件设计调试过程中，主要分为以下几个步骤：
第一步：建立用户运行的STM32源程序项目，按照C语言源程序所要求的语法格式编写代码。
第二步：编译源代码生成可执行文件，做好烧入开发板的准备。
第三步：将编译好的可执行文件烧入到开发板中。
第四步：进行整体项目对各个功能模块的测试检查，调通各个模块，使得各个模块都能够运行起来。
在调试过程中遇到了一些问题：
1.在STM32部分的源程序无法编译成功，错误信息显示有部分文件找不到所在的路径，修改之后编译通过。
2.传感器收集数据返回来有问题，应该是串口出现了问题，没有初始化好串口，调整了串口初始化的代码后重新采集数据，修改后传感器能正常把采集的数据通过串口回传回来。
3.启动系统后，对着声音传感器制造声音，可是LED灯没有做出对应的反应，发现声音的设置值过高，然后手动设置降低限定值，所以当采集到的数据达到限定值才做出正确的显示。
完成调试后运行结果显示正常，可以实现预期效果。
接通电源后，系统各个模块启动运行。效果如图5-1，图5-2和图5-3所示。图5-1是主板在传感器模式下的效果图，显示屏上显示日期，“GZ”即光敏传感器采集到的光照的值，“SY”即声敏传感器采集到的声音的值。
图5-2是主板在时间模式下的效果图，显示屏上显示“timeK18G06”是表示时间设置开灯时间是晚上18点，关灯时间是早上6点，“SGZ：60 SSY：40”表示设置光照限定值为60，设置声音限定值为40。
图5-3是辅板效果图，因为当前环境比较暗，所以会看到LED灯亮起来，模拟窗帘的LED灯是在标记为“开”窗帘的状态下亮起来的。并且显示屏上显示的数据“LED=1,CL=1，V=26”，表示LED是亮的状态，窗帘是属于开的状态，V是表示电流，因为模拟灯具故障是切断电流，所以当灯具出现故障时，V是为0的。

图5-1 主板系统传感器模式效果图

图5-2 主板系统时间模式效果图

图5-3 辅板系统效果图

6 结论

当前，只要有人的地方，就一定少不了有照明灯，包括室内和室外，家庭和公众场合，因此就少不了存在电能浪费的现象，积少成多，那浪费掉的那些电能将是很庞大的一个数据。于是低功耗，低成本，质量高，操作便捷的智能室内照明控制的研究至关重要。
本文主要描述了智能照明控制系统中，硬件设备的介绍、搭建和软件系统的设计过程。包括以下部分：STM32处理器的介绍和实现；通过代码对相关STM32和传感器进行初始化，并通过串口蓝牙发送到另外一个辅板STM32板上；光敏传感器和声音传感器数据的采集，无线蓝牙发收器，按键，蜂鸣器，将一个个硬件模块通过串口连接成一个整体的硬件设计。
软件部分主要是用C语言编写而成，软件设计的思路主要是将智能室内照明控制的每一个功能做出软件模块化的划分，然后对每一个软件模块做出具体的设计。最终将一个个软件模块融合成一个整体的软件设计。
这次的设计带给我的收获不仅仅是技术上的知识提升与实践，而且也是思想上的开阔，能够很好的锻炼自己的创新思维，同时也是提高了一种发现问题并且能自行解决问题的能力，我相信这对我以后的生活和工作上都会带来积极的影响。
总而言之，本次系统设计还是比较简朴的。还有很多地方是可以改进的，例如除了蓝牙通信还可以使用无线WIFI进行通信，手机端上可以控制照明灯的亮灭以及设置时间模式下灯开关时间。这些改进的地方后续可以作进一步的研究。