基于STM32樓宇智能照明及安防系統設計

李大海 祁康樂

摘? 要：根據樓宇照明及安防系統的特點，結合人們對照度、色度的需求，以及自然光的優化利用，設計了綠色、健康、節能的樓宇智能照明及安防系統。該系統分為處理核心、通信網絡和用戶控制終端三個部分，以STM32F103ZET6為核心MCU，采用UCOS-III實時操作系統進行開發，利用無線射頻技術及WIFI技術構建系統通信網絡，并設計用戶終端APP控制程序，實現了樓宇智能照明及環境監測無線控制系統。

關鍵詞：樓宇照明;STM32;UCOS-III;NRF24L01

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0027-03

Abstract： According to the characteristics of building lighting and security system， combined with people's demand for illumination and chromaticity， as well as the optimal use of natural light， a green， healthy and energy-saving building intelligent lighting and security system is designed. The system is divided into three parts： processing core， communication network and user control terminal. the MCU， with STM32F103ZET6 as the core is developed by UCOS-III real-time operating system， and the system communication network is constructed using radio frequency technology and WIFI technology. The APP control program of user terminal is designed， and the wireless control system of building intelligent lighting and environmental monitoring is realized.

Keywords： building lighting; STM32; UCOS-III; NRF24L01

樓宇智能照明系統是當今低碳、綠色和以人為本概念下的典型產物，它的進步與物聯網的發展密不可分。物聯網概念的提出已經有十余年的歷史，并在世界范圍內引起越來越高的關注。在國內，物聯網產業從無到有，從有到優。物聯網不再僅僅是人們的設想，國內己經有了很多與物聯網相關的現實應用，樓宇智能照明就是物聯網產業的典型應用之一。樓宇智能照明至今在中國已經歷了近6年的發展，逐漸走向成熟。樓宇智能照明產業的發展，也推動了智能照明系統研究、設計的不斷進步。同時，各種新型照明光源的成功發明和廣泛應用，比如LED和CCFL，做為樓宇智能照明系統的物質基礎，為其提供了更多、更好的光源選擇。

智能照明系統還處于發展初期，無論是國內還是國際上，智能照明行業沒有統一的標準。國內更令人堪憂的一點是，與發達國家相比，智能照明，尤其是樓宇智能照明，在整個智能家居產業所占的比重還很低。因此，樓宇的智能照明系統還有很大的發展空間。

1 整體設計

本研究針對樓宇照明，設計一套完整的智能控制系統，主要研究樓宇智能照明的控制方法，尤其強調樓宇照明和家居照明的不同處，即樓宇的公共部分（走廊、樓梯等）照明的控制方法，設計樓宇照明的自動調光功能、場景模式切換功能和樓宇照明分區域整體控制功能，達到了綠色節能的設計目的。同時研究樓宇智能照明系統的組網和通信方案，為了更好地實現以人為本的設計理念，本設計考慮了人們的用眼習慣，設計了除了照度以外其他照明因素的調節功能。提倡使用自然光源，系統監測外界光照環境，將其作為控制參數。最后，我們利用ARM技術、NRF24L01技術、WIFI技術實現了上述方案，設計了基于NRF24L01技術節點物理地址的分配規則，對樓宇實際位置進行了相應編碼，這樣，解決了建立樓宇實際位置和節點地址的對應關系問題。使用戶可以方便對樓宇內具體位置的照明情況進行控制。采用嵌入式開發技術、數據庫技術、圖形界面編程技術和單片機開發技術，按照設計需求編寫了系統程序。并且設計各功能模塊的原理圖，利用Altium Designer繪制了PCB。最后，通過串口、NRF24L01無線網絡等將各個模塊組成網絡，實現樓宇智能照明及安防系統的各功能模塊樣機，如圖1所示。

2 終端節點設計

系統的數據采集子系統以無線傳感網絡技術為依托，而無線傳感器網絡由分布在現場的傳感器節點、數傳模塊完成數據的采集和傳輸工作。裝有傳感器的物聯網節點進行數據的采集、預先處理以及與匯聚節點也就是物聯網主節點的通信工作。物聯網主節點實現無線傳感器網絡的發起與維護，數據的接收和上傳工作。

系統是以STM32F103ZET6為核心MCU，采用UCOS-III實時操作系統進行系統開發，大大增加了系統的實時性、可擴展性，STM32最小系統電路如圖2所示。

外設接口電路主要包含的單元有：無線射頻模塊，WiFi模塊，熱釋電傳感器，溫濕度傳感器，有害氣體傳感器，外設接口電路如圖3所示。

為保證系統穩定工作，在電源電路的設計上采用專用的降壓穩壓模塊MP1584EN，電源電路如圖4所示。

遙控器的功能按鍵可分別控制各個燈的開關及模式的選擇，搖桿控制燈的亮暗。以STC12C5

A60S2作為主控芯片，其內部自帶高速AD轉換器及PWM等外設滿足開發要求。實時監測按鍵以及搖桿變化，打包成數據包，通過NRF24L01以每包200ms速度進行發送。功能概述：可以通過NRF24L01遠距離進行實時控制各燈開關及亮暗，如圖5（a）所示?？梢酝ㄟ^ESP8266無線模塊與手機APP網絡通訊，實現網絡控制各燈開關及亮暗，并在APP上實時顯示燈開關狀態、亮度信息、安防狀態、環境信息。系統狀態實時顯示在TFT彩屏上，可直接監測，如圖5（b）所示。

3 控制端軟件設計

系統采用多個任務，不同任務有不同的優先級，通過任務調度方式實現任務的切換，通過信號量、消息隊列、事件標志組進行任務間通信。系統整體流程如圖6所示。

（1）優先級1任務：實時檢測NRF24L01是否接收到數據，如果檢測到數據，將數據發送至事件標志組，等待處理。

（2）優先級2任務：任務處于阻塞狀態，如果任務請求到發送數據命令，ESP8266將當前狀態信息打包發送至手機APP。

（3）優先級3任務：實時監測ESP8266是否接收到數據，如果接收到數據，則將數據進行拷貝發送至消息隊列，繼續接收。消息隊列有20級深度，可存放20條消息，等待系統處理。

（4）優先級4任務：請求ESP8266消息，如果請求成功，處理ESP8266消息，并發送事件標志位。

（5）優先級5任務：任務處于阻塞狀態，請求事件標志組，如果請求成功或阻塞時間到，立即判斷事件標志位，進行執行相關動作。

（6）優先級6任務：進行溫濕度檢測監測，環境狀態監測，人體感應監測，并在TFT彩屏顯示當前狀態信息。

（7）優先級7任務：當各任務均處于掛起或等待狀態時，進入本任務，用于統計系統運行空閑時間。

安卓APP功能：采用java語言進行APP編寫，將手機連至WiFi，與ESP8266進行配對，配對成功后，可通過虛擬按鍵控制各燈的開關及亮暗，以及防盜模式的開關，并實時接收系統傳來的信息進行顯示。

系統使用TCP/IP協議進行傳輸數據，采用主從應答模式，如果主機或從機沒有接收到信息，則判定數據丟失，再次發送數據。如果主（從）接收到數據之后立即發送應答信號，從（主）判斷應答信號之后再進行相應操作。用戶通過手機端APP軟件連接局域網與硬件系統進行匹配，如果匹配成功頁面會自動顯示硬件信息。通過軟件button分別控制5個LED燈的開關、亮度、安防模式開關。實時顯示溫度、濕度、空氣質量信息并在超標時進行預警。當安防模式開啟時，傳感器開始檢測，如果檢測到異常，實時報警并上傳至頁面。手機APP控制主界面如圖7所示。

4 結束語

隨著人們對照明的舒適性和個性化要求越來越強烈，基于無線智能控制的個性化、舒適性節能照明終將會迎來快速發展的時代。本系統完成了樓宇智能照明終端節點設計、無線通信網絡的搭建、手機APP軟件設計，實現了用戶的個性化的舒適性節能照明及安防需求。系統測試運行穩定，效果良好，進一步調試完善后可實際應用到樓宇智能管理中。

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