交互式智能台灯，人来即亮，人走即灭。环境光照较强时，可自动降低亮度节省功耗，较暗时也可以自动升高亮度。“手势”交互（如调节亮度和番茄钟计时）。

最新推荐文章于 2025-05-30 14:56:44 发布

嵌入式程序员小刘

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文章标签：开源物联网单片机嵌入式硬件

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/lianmengde/article/details/145411776

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我将为您详细阐述这款交互式智能台灯的嵌入式系统开发流程，并提供一个可靠、高效且可扩展的代码架构，以及具体的C代码实现。本项目旨在展示从需求分析到系统实现，再到测试验证和维护升级的完整嵌入式系统开发生命周期。

1. 需求分析与系统设计

1.1 需求分析

基于产品简介，我们提取出以下核心需求：

交互性: 通过手势进行用户交互，调节亮度和启动/停止番茄钟。
智能性:
- 人体感应: 人来即亮，人走即灭。
- 环境光感应: 根据环境光强自动调节亮度，强光时降低，弱光时升高。
节能性: 环境光强时降低亮度以节省功耗。
可靠性: 系统运行稳定，功能可靠。
高效性: 系统响应迅速，功耗控制合理。
可扩展性: 系统架构应易于扩展新功能，如接入物联网、语音控制等。

1.2 系统设计

为了满足上述需求，我们设计如下系统架构：

1.2.1 硬件架构

主控芯片 (MCU): 选择高性能、低功耗的嵌入式微控制器，例如 ARM Cortex-M 系列 (STM32F4/STM32G4 等)。负责整个系统的控制、数据处理和任务调度。
人体存在传感器 (PIR 传感器): 检测人体移动，用于实现人来即亮，人走即灭功能。
环境光传感器 (光敏电阻或数字光照传感器): 检测环境光强度，用于自动亮度调节。
手势传感器 (飞行时间 (ToF) 传感器或红外 (IR) 传感器阵列): 识别用户手势，用于亮度调节和番茄钟控制。
LED 灯条及驱动电路: 提供照明光源，并根据控制信号调节亮度。通常采用 PWM 调光方式。
电源管理模块: 负责系统供电和功耗管理。
调试接口 (如 UART 或 JTAG): 用于代码调试和系统监控。

1.2.2 软件架构

我们采用分层模块化的软件架构，以提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。系统软件架构主要分为以下几层：

硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer): 提供对底层硬件的抽象接口，屏蔽硬件差异，方便上层应用调用。包括 GPIO 驱动、ADC 驱动、PWM 驱动、定时器驱动、传感器驱动等。
设备驱动层 (Device Driver Layer): 基于 HAL 层，实现具体硬件设备的功能驱动，例如 PIR 传感器驱动、光传感器驱动、手势传感器驱动、LED 驱动等。
中间件层 (Middleware Layer): 提供通用的软件服务和组件，例如任务调度器 (RTOS 或简易调度器)、事件管理、配置管理、日志管理、通信协议栈等。
应用层 (Application Layer): 实现系统的核心业务逻辑，包括人体感应逻辑、环境光感应逻辑、手势识别逻辑、亮度控制逻辑、番茄钟逻辑等。

1.2.3 软件模块划分

根据软件架构，我们将系统软件划分为以下模块：

hal 模块 (硬件抽象层):
- hal_gpio.c/h: GPIO 初始化、读写控制。
- hal_adc.c/h: ADC 初始化、采样。
- hal_pwm.c/h: PWM 初始化、占空比控制。
- hal_timer.c/h: 定时器初始化、中断处理。
- hal_uart.c/h: UART 初始化、数据收发 (用于调试)。
drivers 模块 (设备驱动层):
- pir_sensor.c/h: PIR 传感器驱动，检测人体存在。
- light_sensor.c/h: 光传感器驱动，读取环境光强度。
- gesture_sensor.c/h: 手势传感器驱动，识别手势。
- led_driver.c/h: LED 驱动，控制 LED 亮度。
middleware 模块 (中间件层):
- task_scheduler.c/h (如果使用 RTOS，则替换为 RTOS API): 任务调度和管理。
- event_manager.c/h: 事件管理，用于模块间异步通信。
- config_manager.c/h: 配置管理，存储和加载系统配置参数。
- log_manager.c/h: 日志管理，记录系统运行信息 (用于调试和维护)。
application 模块 (应用层):
- presence_detection.c/h: 人体存在检测逻辑。
- ambient_light_control.c/h: 环境光亮度自动调节逻辑。
- gesture_recognition.c/h: 手势识别逻辑，解析手势数据。
- brightness_control.c/h: LED 亮度控制逻辑，根据需求调节亮度。
- tomato_timer.c/h: 番茄钟功能实现。
- main_app.c: 主应用程序，初始化系统，调度各个模块。

2. 具体C代码实现

以下是各个模块的C代码实现，包含了详细的注释和错误处理，并考虑了代码的可读性、可维护性和可扩展性。

(以下代码为示例代码，需要根据具体的硬件平台和传感器型号进行适配和调整)

2.1 hal 模块 (硬件抽象层)

hal/hal_gpio.h

#ifndef HAL_GPIO_H
#define HAL_GPIO_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// GPIO 端口定义 (根据具体 MCU 平台定义)
typedef enum {
   
    GPIO_PORT_A,
    GPIO_PORT_B,
    GPIO_PORT_C,
    // ... 其他端口
    GPIO_PORT_MAX
} GPIO_Port_TypeDef;

// GPIO 引脚定义 (根据具体 MCU 平台定义)
typedef enum {
   
    GPIO_PIN_0  = (1U << 0),
    GPIO_PIN_1  = (1U << 1),
    GPIO_PIN_2  = (1U << 2),
    // ... 其他引脚
    GPIO_PIN_ALL = 0xFFFFFFFFU
} GPIO_Pin_TypeDef;

// GPIO 工作模式定义
typedef enum {
   
    GPIO_MODE_INPUT,      // 输入模式
    GPIO_MODE_OUTPUT,     // 输出模式
    GPIO_MODE_AF_PP,      // 复用推挽输出
    GPIO_MODE_AF_OD,      // 复用开漏输出
    GPIO_MODE_ANALOG      // 模拟输入
} GPIO_Mode_TypeDef;

// GPIO 输出类型定义
typedef enum {
   
    GPIO_OUTPUT_PP,       // 推挽输出
    GPIO_OUTPUT_OD       // 开漏输出
} GPIO_OutputType_TypeDef;

// GPIO 上下拉电阻定义
typedef enum {
   
    GPIO_PULL_NONE,       // 无上下拉
    GPIO_PULL_UP,         // 上拉
    GPIO_PULL_DOWN       // 下拉
} GPIO_Pull_TypeDef;

// 初始化 GPIO
void HAL_GPIO_Init(GPIO_Port_TypeDef port, GPIO_Pin_TypeDef pin, GPIO_Mode_TypeDef mode, GPIO_OutputType_TypeDef otype, GPIO_Pull_TypeDef pull);

// 设置 GPIO 输出电平
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_Port_TypeDef port, GPIO_Pin_TypeDef pin, bool pinState);

// 读取 GPIO 输入电平
bool HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_Port_TypeDef port, GPIO_Pin_TypeDef pin);

#endif // HAL_GPIO_H

hal/hal_gpio.c

#include "hal_gpio.h"
#include "stdio.h" // For error handling (printf)

// 假设使用 STM32 HAL 库, 需要根据实际 MCU 平台进行修改
#ifdef STM32F4xx
#include "stm32f4xx_hal.h"
#endif

// 初始化 GPIO
void HAL_GPIO_Init(GPIO_Port_TypeDef port, GPIO_Pin_TypeDef pin, GPIO_Mode_TypeDef mode, GPIO_OutputType_TypeDef otype, GPIO_Pull_TypeDef pull) {
   
    // 错误检查
    if (port >= GPIO_PORT_MAX) {
   
        printf("HAL_GPIO_Init Error: Invalid GPIO Port\n");
        return;
    }

    // 根据具体 MCU 平台配置 GPIO
    #ifdef STM32F4xx
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {
   0};
    GPIO_TypeDef *GPIOx;

    switch (port) {
   
        case GPIO_PORT_A: GPIOx = GPIOA; break;
        case GPIO_PORT_B: GPIOx = GPIOB; break;
        case GPIO_PORT_C: GPIOx = GPIOC; break;
        // ... 其他端口
        default:
            printf("HAL_GPIO_Init Error: Unsupported GPIO Port for STM32F4\n");
            return;
    }

    GPIO_InitStruct.Pin = pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = mode;
    GPIO_InitStruct.Pull = pull;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW