基于STM32的智能照明监控系统的设计与实现

第３９卷第７期２０１８年７月自　动　化　仪　表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ􀆰３９Ｎｏ􀆰７Ｊｕｌ.２０１８收稿日期:２０１８￣０１￣１１作者简介:刘敏层(１９６６—)ꎬ女ꎬ高级工程师ꎬ硕士生导师ꎬ主要从事智能建筑与楼宇自动化方向的研究ꎬＥ￣ｍａｉｌ:[e-mail]ꎻ张峰(通信作者)ꎬ男ꎬ在读硕士研究生ꎬ主要从事智能建筑与楼宇自动化方向的研究ꎬＥ￣ｍａｉｌ:[e-mail]基于ＳＴＭ３２的智能照明监控系统的设计与实现刘敏层ꎬ张　峰(西安建筑科技大学信息与控制工程学院ꎬ陕西西安７１００５５)摘　要:针对高校教室照明方式存在能源浪费、室内光强不足或过剩及管理落后等现象ꎬ设计了基于ＳＴＭ３２的高校教室智能照明监控系统ꎮ系统以ＳＴＭ３２Ｆ１０３￣ＶＥＴ６控制器为核心ꎬ以ＬＥＤ灯为控制对象ꎬ由红外模块、光检模块和ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块等组成ꎮ采用分区域控制方式ꎬ调光系统使用单神经元自适应ＰＩＤ算法ꎬ通过检测室内自然光强度和人员信息ꎬ控制器可根据智能算法实现灯具的自动开关和自动调光功能ꎮ测试结果表明ꎬ该系统运行稳定ꎬ可根据教室使用情况实现灯具的自动开关及准确调光ꎬ且每间教室内信息实时发送至上位机实现集中监控ꎬ达到智能化照明和节约电能的目的ꎮ关键词:智能化照明ꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３￣ＶＥＴ６ꎻＺｉｇＢｅｅꎻ单神经元自适应ꎻ节能中图分类号:ＴＨ￣３９ꎻＴＰ２７３＋.５　　　　文献标志码:Ａ　　　　ＤＯＩ:１０.１６０８６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１０００￣０３８０.２０１８０１００１４　ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＬｉｇｈｔｉｎｇＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ＬＩＵＭｉｎｃｅｎｇꎬＺＨＡＮＧＦｅｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ７１００５５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｗａｓｔｅｓꎬｌａｃｋｏｒｅｘｃｅｓｓｏｆｉｎｄｏｏｒｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙꎬａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｌａｇｉｎｃｌａｓｓｒｏｏｍｌｉｇｈｔｉｎｇｆｏｒｃｏｌｌｅｇｅｓａｎｄｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓꎬｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２.ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｉｎｆｒａｒｅｄｍｏｄｕｌｅꎬｏｐｔｉｃａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅꎬｗｉｔｈＳＴＭ３２Ｆ１０３￣ＶＥＴ６ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｓｔｈｅｃｏｒｅꎬＬＥＤｌｉｇｈｔｓａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｂｊｅｃｔ.Ｓｕｂ￣ｒｅｇｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｉｓａｄｏｐｔｅｄꎬａｎｄｓｉｎｇｌｅ￣ｎｅｕｒｏｎａｄａｐｔｉｖｅＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｕｓｅｄｉｎｄｉｍｍｉｎｇｓｙｓｔｅｍꎬｂｙｄｅｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｎａｔｕｒａｌｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｒｅｓｅｎｃｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｏｏｍꎬｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌａｍｐｓａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｄｉｍｍｉｎｇｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔａｂｌｅａｎｄｔｈｅｌａｍｐｓｃａｎｂｅｓｗｉｔｃｈｅｄａｎｄｄｉｍｍｉｎｇａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｕｓａｇｅｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｒｏｏｍꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｅａｃｈｃｌａｓｓｒｏｏｍｃａｎｂｅｓｅｎｔｔｏｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｆｏｒｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｒｅａｌｔｉｍｅꎬｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇꎻＳＴＭ３２Ｆ１０３￣ＶＥＴ６ꎻＺｉｇＢｅｅꎻＳｉｎｇｌｅｎｅｕｒｏｎａｄａｐｔｉｖｅꎻＥｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ０　引言随着教育事业的快速发展ꎬ高校已然成了重要的用电大户ꎮ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]ꎮ国家“十二五”建设规划中ꎬ将节能工作列为重点ꎮ在中央提出“节约型社会”、“智慧城市”的号召下ꎬ建设“智慧校园”和“节约型校园”的工作提上日程[２]ꎮ我国大学校园的教室灯多采用普通开关控制ꎮ由于上课时间比较自由ꎬ在白天光照充足的情况下ꎬ教室经常出现无人明灯的现象ꎬ无形中造成大量的电能浪费[３￣５]ꎮ以西安建筑科技大学教学楼为例ꎬ教室无人或只有人员较少时ꎬ教室灯具全开并且光照强度达不到照明规范要求ꎻ因为教室数量众多ꎬ在晚间关闭楼门时ꎬ教学楼物业人员需逐间教室去关灯ꎬ对教室灯具不能集中管理ꎬ造成了电力和人力的浪费ꎮ针对以上情况ꎬ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ꎬ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ꎮ１　总体设计方案教室灯具布置一般采用水平均匀分布ꎬ照明采用分组控制[６]ꎮ该系统根据教室内人员分布情况控制相自　动　化　仪　表第３９卷应区域的照明灯具ꎬ以满足局部照度要求ꎮ本文以西安建筑科技大学教学大楼的教室为例ꎬ根据灯具布局情况划分相应的区域ꎬ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ꎮ教室区域分布如图１所示ꎮ利用光检模块检测教室内各区域的光强ꎬ利用红外模块检测人员存在信息ꎬ将采集到的数据传送给ＳＴＭ３２单片机进行处理ꎮ图１　教室区域分布图Ｆｉｇ.１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｌａｓｓｒｏｏｍａｒｅａ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ꎮ总体设计方案如图２所示ꎮ图２　总体设计方案图Ｆｉｇ.２　Ｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ教室控制终端由ＳＴＭ３２控制器、驱动电路和ＺｉｇＢｅｅ采集模块组成ꎮ采集模块分为红外模块和光检模块ꎮ无线通信模块采用处理器ＣＣ２４３０ꎮ上位机终端设置在教学楼值班监控室ꎬ用来接收和实时显示教室照明信息ꎬ实现远程监测与控制ꎮ当红外模块检测教室有人ꎬ且光检模块检测到室内光照强度不足时ꎬ控制器根据设定的智能算法发出开灯控制指令ꎬ并根据自然光强大小对教室灯具亮度进行准确调节ꎬ以达到预设值ꎮ系统通过无线通信模块将室内信息发送给上位机ꎬ物业人员可通过上位机查看每间教室的照明情况ꎬ并进行远程监控ꎮ本系统兼容了自动模式与手动模式ꎬ自动模式便于教室自动化操作ꎬ手动模式便于在特殊环境下人性化操作ꎮ２　系统硬件设计本系统以ＳＴＭ３２控制器为核心芯片ꎮ硬件电路系统结构如图３所示ꎮ图３　硬件电路系统结构图Ｆｉｇ.３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ２.１　电源模块由于各芯片的工作电压不同ꎬ需要将２２０Ｖ交流市政供电转化为各芯片所需要的工作电压ꎮ本文中无线通信模块需５Ｖ供电ꎬＳＴＭ３２控制器需３.３Ｖ供电ꎮ电源模块硬件电路如图４所示ꎮ电路中的２２０Ｖ交流电经变压器２２０Ｖ/１２Ｖꎬ在保险丝Ｆ１的保护下ꎬ转变为１２Ｖ交流电输出ꎻ然后ꎬ经桥式整流、电解电容滤波和稳压芯片ＬＭ７８１２后ꎬ转变为平稳的１２Ｖ直流电ꎻ最后ꎬ将１２Ｖ直流电经稳压芯片ＬＭ２５９６转换成５Ｖ直流电ꎬ再经稳压芯片ＡＭＳ１１１７转换成３.３Ｖ直流电ꎮ图４　电源模块硬件电路图Ｆｉｇ.４　Ｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅ２.２　ＬＥＤ驱动电路本系统采用节能的ＬＥＤ灯作为教室照明光源ꎬ围绕ＰＴ４１１５芯片设计ＬＥＤ驱动电路ꎮ同时ꎬ系统使用脉冲宽度调制(ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎꎬＰＷＭ)调光ꎬ在单位时间内反复接通和断开ＬＥＤ电流ꎬ调节发光亮度[７￣１０]ꎮ驱动电路如图５所示ꎮＤＩＭ端外接ＳＴＭ３２控制器ＰＡ１端口ꎬ通过输出ＰＷＭ脉冲进行调光ꎮ开关频率通常要大于１００Ｈｚꎬ使得ＬＥＤ闪烁不易被人眼􀅰４４􀅰第７期　基于ＳＴＭ３２的智能照明监控系统的设计与实现　刘敏层ꎬ等察觉ꎮ图５　驱动电路图Ｆｉｇ.５　Ｃｉｒｃｕｉｔｏｆｄｒｉｖｅ２.３　光检模块电路光检模块电路采用光照强度传感器ꎮ端子９外接光照强度变送器ꎮ采集到的４~２０ｍＡ电流信号通过物理电路转化为电压信号ꎬ并被传送至控制器的内置Ａ/Ｄ进行模数转换处理ꎮＳＴＭ３２控制器的工作电压为３.３Ｖꎮ经过计算ꎬ在设计中选用１５０Ω电阻Ｒ９ꎬ即可满足控制器可接受的电压取值ꎮ光照强度采集电路如图６所示ꎮ图６　光照强度采集电路图Ｆｉｇ.６　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ２.４　红外模块检测电路本系统使用ＨＣ￣ＳＲ５０１型号红外传感器ꎮ该传感器检测范围为４~１４μｍꎬ包含人体红外辐射波长９.６５μｍ[１０￣１１]ꎮ输出高电平为３.３Ｖꎬ低电平为０Ｖꎬ可满足控制器的电压取值ꎮ２.５　无线通信模块ＺｉｇＢｅｅ是以ＩＥＥＥ８０２.１５.４为基础的一组涉及网络、安全和应用的软件协议[１１]ꎮ无线通信模块采用ＴＩ公司的ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块ＣＣ２５３０ꎬ内置射频(ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎬＲＦ)转换器ꎬ并结合增强标准型８０５１ＭＣＵꎬ具有可编程的２５６Ｂ闪存、８ＫＢ的ＲＡＭ、两个通用异步收发传输器(ｕｎｉｖｅｒｓａｌａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｃｅｉｖｅｒ/ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒꎬＵＡＲＴ)接口、可复用ＳＰＩ８通道的模数转换器(ａｎａｌｏｇ￣ｔｏ￣ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒꎬＡＤＣ)、２１个通用输入/输出口(ｇｅｎｅｒａｌ￣ｐｕｒｐｏｓｅｉｎｐｕｔ/ｏｕｔｐｕｔｐｏｒｔｓꎬＧＰＩＯ)等[１２￣１３]ꎮＣＣ２５３０的供电电源为３.３Ｖꎬ通过串口与ＳＴＭ３２控制器进行通信ꎮ３　系统软件设计软件设计主要是将控制逻辑嵌入控制器中ꎬ使整个系统按照所设计的控制流程运行ꎬ包括主程序设计、ＺｉｇＢｅｅ节点程序设计和控制算法程序设计ꎮ３.１　主程序设计控制器主程序为整个控制系统的核心ꎬ其流程如图７所示ꎮ系统上电后ꎬ首先对其进行初始化ꎬ然后设置手动模式或者自动模式ꎮ在手动模式下ꎬ可按照实际教室灯具使用情况进行合理配置灯具ꎮ在自动模式下ꎬ每个区域的传感器检测人员存在信息ꎮ若有人存在并且该区域的光照强度达不到预设值ꎬ单片机则控制灯具打开ꎮ根据自然光强度与预设值的偏差量ꎬ调用算法进行调光动作ꎮ若该区域有人但是光强满足预设值ꎬ则不打开灯具ꎮ以上所有的光强预设值均根据照明规范要求设定ꎮ图７　控制器主程序流程图Ｆｉｇ.７　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ３.２　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ꎻ与ＺｉｇＢｅｅ协调器进行数据传输ꎬ终端节点之间无法进行数据交流ꎮ当控制器采集教室内数据信息并将其传输至终端节点后ꎬ灯具使用信息将被打包发送至协调器ꎬ并等待其确认的命令帧ꎮ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ꎬ则需要重新发送ꎬ直到通信成功ꎮＺｉｇＢｅｅ终端节点程序流程如图８所示ꎮ􀅰５４􀅰自　动　化　仪　表第３９卷图８　ＺｉｇＢｅｅ终端节点程序流程图Ｆｉｇ.８　ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＺｉｇＢｅｅｔｅｒｍｉｎａｌｎｏｄｅｐｒｏｇｒａｍ３.３　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ꎮ其具有自学习能力ꎬ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ꎮ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]ꎮ单神经元ＰＩＤ结构如图９所示ꎮ图９　单神经元ＰＩＤ结构图Ｆｉｇ.９　ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｇｌｅｎｅｕｒｏｎＰ