基于单片机的楼宇智能照明系统设计

孙雪景 魏立明

（吉林建筑大学 长春 130118）

引言

新型智能照明系统采用新技术、新理念以控或声控的方式来控制照明电源，取代传统的操作模式，便利了人们的生活。本文针对办公楼宇办公室、走廊、电梯、卫生间设计了基于CAN总线楼宇智能照明控制系统，实现了楼宇智能照明控制功能。

1 系统的总体结构

本设计以STM32F407单片机为主控芯片，STM32F103单片机为从控芯片。其中照明控制电路由光照传感器、红外传感器、CAN智能节点模块等部分构成。当照度传感器将采集到的环境照度通过IIC协议传送给STM32F103单片机，STM32F103单片机根据传输照度进行运算，然后产生一个PWM信号，PWM脉冲信号会送至LED的恒流驱动电路控制LED灯的光通量。其设计结构如图1所示。本方案的体系架构分为以下三层：第一层对数据的采集以及程序中命令执行能力；第二层由CAN智能节点组成，建立起智能照明系统的传输端，并与主控制器连接，完成数据传输；第三层由主控器和上位机模块实现数据连接，终端层也可在PC终端上登录上位机软件界面对智能照明控制系统进行查询和管理。系统整体结构图如图1所示。

图1 电路结构图

图2 系统整体结构图

2 系统硬件电路设计

2.1 器件选型

1）单片机：采用STM32F103RCT6作为CAN智能节点从控芯片和STM32F407VET6主控芯片。单片机工作电压集中在（2.0 ～ 3.6）V这个区间内，适合其运行的工作温度在（-40 ～+85）℃之间，满足环境要求，实物图如图3所示。

图3 STM32单片机实物图

2）光照度传感器：型号为BH1750，它有IIC总线接口，主要是用于两线式串行总线接口的数字型光强度的传感器，图4是其实物图。该传感器通过SCL时钟信号端以及SDA数据信号端和处理器连接从而进行数据传输。

图4 BH1750光照度传感器模块实物图

3）人体红外传感器：选用基于LHI778探头的人体红外传感器模块HC-SR501。外部端口有VCC、OUT和GND，可以直接与STM32单片机连接，并且具有很高的灵敏度。感应角度约为100 °圆锥角，感应距离在（3 ～ 7）m区间内是可以自由调节的，实物图如图5所示。

图5 红外传感器实物图

4）声音传感器：选用基于电压比较器LM393芯片声音传感器模块MK152。外部端口为VCC、GND和OUT，且直接与单片机的I/O口连接，其灵敏度和可靠性都很强，其感应范围可调。实物图如图6所示。

图6 声音传感器实物图

5）CAN总线收发器选型：选择CAN收发器TJA1050模块，实物图如图7所示。不仅可以为CAN总线进行提供差动发送功能，而且还可以为CAN控制器提供差动接收功能。

图7 CAN总线收发器模块

2.2 电源电路设计

电源模块提供（3.3 ～ 5）V区间电压，采用AS1117稳压芯片。可以通过开关电源将220 V的交流电转化为16 V的直流电，然后再将16 V直流电经过AS1117稳压芯片从而进行转化为稳定的+5 V和3.3 V的直流电。电源电路如图8所示。

图8 电源电路

2.3 从控制器电路设计

从控制器可以为CAN智能节点与主控制器进行数据通信，进行数据采集以及照明执行设备对LED灯进行亮度调控。从控制器包含IIC协议，CAN通信协议，PWM，ADC等功能，且在楼宇中由于照明区域较多，因此灯光组合比较复杂，选用STM32103单片机从控芯片，内部集成两个CAN控制器和IIC接口，适合本文设计需要。

2.4 办公区电路设计

办公区主要采用BH1750传感器和HC-SR501人体红外传感器共同作用来判断LED灯是否工作和功率大小。其中BH1750传感器采集楼宇内部实时光照度，通过IIC总线进行数据传输。处理器STM32F103芯片通过SCL时钟信号端和SDA数据信号端与BH1750传感器连接进行数据的传输，读取照度数据和发送控制命令。光照强度传感器电路如图9所示。采用HC-SR501传感器采集室内实时人数，人体红外传感器可以感应到当前环境是否有人，若有DATA端会输出高电平并传输给STM32F103芯片。人体红外线传感器电路图如图10所示。

图9 光照传感器电路

图10 人体红外线传感器电路

2.5 走廊电路设计

走廊通过声音传感器和光照度传感器共同作用来对LED灯的工作状态进行控制。声音感应传感器采集宇楼道声音的强度，全方位检测声音，检测到超出阈值的声音时，OUT输出低电平。声音传感器电路如图11所示。通过安装声音传感器和光照度传感器来采集周围环境的信息，没检测到声波时，LED灯会保持熄灭的状态，若有则判断周围环境光强度来进行调节LED灯亮度。

图11 声音传感器电路

3 系统软件设计

1）主控制器与上位机通信软件设计，上位机利用串口通讯将有效数据传输给主控器，利用主控器去控制各个区域CAN节点，使之控制LED灯具。而主控器把从CAN智能节点传输回来信号上传给上位机，使数据在上位机界面得以显示。当上位机传输数据为有效数据时，主控制器就会读取数据，并且执行相关指令。在读取数据过程中，主控制器会对读取内容进行数据检测，若读取数据不正确，则不会执行该指令。

2）从控系统软件设计。从控器能实现CAN节点与主控制器互联互通并且接收传感器采集信号和控制PWM信号占空比，实现LED灯具调光控制等，达到如下功能：①上电后初始化各模块，对CAN总线上信息随时待命；②若主控制器通过CAN总线协议把数据传输给从控制器，从控制器接收CAN总线传输的数据，然后从控系统根据相关指令执行操纵。

图12 主控制器接受上位机指令流程图

图13 从控系统程序流程图

图14 用户界面

图15 数据采集界面

4 上位机设计

本文采用Labview作为上位机监控软件，整合各种仪器仪表控件，通过对控件加以布局、设计出用户界面。各个控件间产生了逻辑上联系，可以共同协作，实现使用者对功能的需要。为方便系统管理和增强控制系统稳定性，将灯具单元按照各建筑物的功能分区划分为不同的管理区域，由用户对建筑物分区、照明类型进行二级选择，以完成对各个照明区精确管理。用户管理平台和集中控制台之间的通信采用串口方式进行，由用户在系统启动之前进行照明管理区域和灯具参数设定，保证与系统通信顺畅。

5 结论与展望

本文主要针对楼宇智能照明控制系统进行设计，基于主控芯片的STM32F407单片机和从控芯片STM32F103单片机的外围电路和基于TJA1050芯片的CAN收发模块电路，和NU511LED恒流驱动芯片的工作电路等，并对系统的各个区域节点电路进行了方案设计。软件设计方案主要是包括了主控制器和上位机之间的通讯设计，从控系统的软件设计，各区域程序设计、CAN通讯程序设计、上位机设计等配置。各区域主要指基础照明功能的控制，系统通过CAN总线实现各个节点之间的数据接收与发送。本文所提方案为楼宇智能照明控制系统提供理论借鉴和参考。