基于STM32楼宇智能照明及安防系统设计

李大海 祁康乐

摘  要：根据楼宇照明及安防系统的特点，结合人们对照度、色度的需求，以及自然光的优化利用，设计了绿色、健康、节能的楼宇智能照明及安防系统。该系统分为处理核心、通信网络和用户控制终端三个部分，以STM32F103ZET6为核心MCU，采用UCOS-III实时操作系统进行开发，利用无线射频技术及WIFI技术构建系统通信网络，并设计用户终端APP控制程序，实现了楼宇智能照明及环境监测无线控制系统。

关键词：楼宇照明;STM32;UCOS-III;NRF24L01

中图分类号：TP273 文献标志码：A         文章编号：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

楼宇智能照明系统是当今低碳、绿色和以人为本概念下的典型产物，它的进步与物联网的发展密不可分。物联网概念的提出已经有十余年的历史，并在世界范围内引起越来越高的关注。在国内，物联网产业从无到有，从有到优。物联网不再仅仅是人们的设想，国内己经有了很多与物联网相關的现实应用，楼宇智能照明就是物联网产业的典型应用之一。楼宇智能照明至今在中国已经历了近6年的发展，逐渐走向成熟。楼宇智能照明产业的发展，也推动了智能照明系统研究、设计的不断进步。同时，各种新型照明光源的成功发明和广泛应用，比如LED和CCFL，做为楼宇智能照明系统的物质基础，为其提供了更多、更好的光源选择。

智能照明系统还处于发展初期，无论是国内还是国际上，智能照明行业没有统一的标准。国内更令人堪忧的一点是，与发达国家相比，智能照明，尤其是楼宇智能照明，在整个智能家居产业所占的比重还很低。因此，楼宇的智能照明系统还有很大的发展空间。

1 整体设计

本研究针对楼宇照明，设计一套完整的智能控制系统，主要研究楼宇智能照明的控制方法，尤其强调楼宇照明和家居照明的不同处，即楼宇的公共部分（走廊、楼梯等）照明的控制方法，设计楼宇照明的自动调光功能、场景模式切换功能和楼宇照明分区域整体控制功能，达到了绿色节能的设计目的。同时研究楼宇智能照明系统的组网和通信方案，为了更好地实现以人为本的设计理念，本设计考虑了人们的用眼习惯，设计了除了照度以外其他照明因素的调节功能。提倡使用自然光源，系统监测外界光照环境，将其作为控制参数。最后，我们利用ARM技术、NRF24L01技术、WIFI技术实现了上述方案，设计了基于NRF24L01技术节点物理地址的分配规则，对楼宇实际位置进行了相应编码，这样，解决了建立楼宇实际位置和节点地址的对应关系问题。使用户可以方便对楼宇内具体位置的照明情况进行控制。采用嵌入式开发技术、数据库技术、图形界面编程技术和单片机开发技术，按照设计需求编写了系统程序。并且设计各功能模块的原理图，利用Altium Designer绘制了PCB。最后，通过串口、NRF24L01无线网络等将各个模块组成网络，实现楼宇智能照明及安防系统的各功能模块样机，如图1所示。

2 终端节点设计

系统的数据采集子系统以无线传感网络技术为依托，而无线传感器网络由分布在现场的传感器节点、数传模块完成数据的采集和传输工作。装有传感器的物联网节点进行数据的采集、预先处理以及与汇聚节点也就是物联网主节点的通信工作。物联网主节点实现无线传感器网络的发起与维护，数据的接收和上传工作。

系统是以STM32F103ZET6为核心MCU，采用UCOS-III实时操作系统进行系统开发，大大增加了系统的实时性、可扩展性，STM32最小系统电路如图2所示。

外设接口电路主要包含的单元有：无线射频模块，WiFi模块，热释电传感器，温湿度传感器，有害气体传感器，外设接口电路如图3所示。

为保证系统稳定工作，在电源电路的设计上采用专用的降压稳压模块MP1584EN，电源电路如图4所示。

遥控器的功能按键可分别控制各个灯的开关及模式的选择，摇杆控制灯的亮暗。以STC12C5

A60S2作为主控芯片，其内部自带高速AD转换器及PWM等外设满足开发要求。实时监测按键以及摇杆变化，打包成数据包，通过NRF24L01以每包200ms速度进行发送。功能概述：可以通过NRF24L01远距离进行实时控制各灯开关及亮暗，如图5（a）所示。可以通过ESP8266无线模块与手机APP网络通讯，实现网络控制各灯开关及亮暗，并在APP上实时显示灯开关状态、亮度信息、安防状态、环境信息。系统状态实时显示在TFT彩屏上，可直接监测，如图5（b）所示。

3 控制端軟件设计

系统采用多个任务，不同任务有不同的优先级，通过任务调度方式实现任务的切换，通过信号量、消息队列、事件标志组进行任务间通信。系统整体流程如图6所示。

（1）优先级1任务：实时检测NRF24L01是否接收到数据，如果检测到数据，将数据发送至事件标志组，等待处理。

（2）优先级2任务：任务处于阻塞状态，如果任务请求到发送数据命令，ESP8266将当前状态信息打包发送至手机APP。

（3）优先级3任务：实时监测ESP8266是否接收到数据，如果接收到数据，则将数据进行拷贝发送至消息队列，继续接收。消息队列有20级深度，可存放20条消息，等待系统处理。

（4）优先级4任务：请求ESP8266消息，如果请求成功，处理ESP8266消息，并发送事件标志位。

（5）优先级5任务：任务处于阻塞状态，请求事件标志组，如果请求成功或阻塞时间到，立即判断事件标志位，进行执行相关动作。

（6）优先级6任务：进行温湿度检测监测，环境状态监测，人体感应监测，并在TFT彩屏显示当前状态信息。

（7）优先级7任务：当各任务均处于挂起或等待状态时，进入本任务，用于统计系统运行空闲时间。

安卓APP功能：采用java语言进行APP编写，将手机连至WiFi，与ESP8266进行配对，配对成功后，可通过虚拟按键控制各灯的开关及亮暗，以及防盗模式的开关，并实时接收系统传来的信息进行显示。

系统使用TCP/IP协议进行传输数据，采用主从应答模式，如果主机或从机没有接收到信息，则判定数据丢失，再次发送数据。如果主（从）接收到数据之后立即发送应答信号，从（主）判断应答信号之后再进行相应操作。用户通过手机端APP软件连接局域网与硬件系统进行匹配，如果匹配成功页面会自动显示硬件信息。通过软件button分别控制5个LED灯的开关、亮度、安防模式开关。实时显示温度、湿度、空气质量信息并在超标时进行预警。当安防模式开启时，传感器开始检测，如果检测到异常，实时报警并上传至页面。手机APP控制主界面如图7所示。

4 结束语

随着人们对照明的舒适性和个性化要求越来越强烈，基于无线智能控制的个性化、舒适性节能照明终将会迎来快速发展的时代。本系统完成了楼宇智能照明终端节点设计、无线通信网络的搭建、手机APP软件设计，实现了用户的个性化的舒适性节能照明及安防需求。系统测试运行稳定，效果良好，进一步调试完善后可实际应用到楼宇智能管理中。

参考文献：

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