基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的教室節(jié)能照明系統(tǒng)

1. 項(xiàng)目開發(fā)背景

1.1 項(xiàng)目背景

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑物能源消耗問題日益突出，尤其是辦公室、教室等公共場所的照明系統(tǒng)在無人的情況下仍然長時(shí)間處于開啟狀態(tài)，導(dǎo)致了不必要的能源浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)一款節(jié)能照明系統(tǒng)，以減少能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)智能化管理，已經(jīng)成為許多建筑項(xiàng)目和智能家居中的必要組成部分。

傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)往往依賴人工手動(dòng)開關(guān)，這不僅增加了能源浪費(fèi)，也容易出現(xiàn)因?yàn)橥涥P(guān)燈而產(chǎn)生的資源浪費(fèi)。此外，隨著LED照明技術(shù)的成熟，亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)和定時(shí)控制等功能成為了現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵需求。

本項(xiàng)目基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)一款教室節(jié)能照明系統(tǒng)，結(jié)合人體紅外傳感器、光敏傳感器、藍(lán)牙控制、液晶顯示屏和華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，旨在實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)能化的照明控制。該系統(tǒng)不僅能夠根據(jù)教室內(nèi)的人員數(shù)量智能開關(guān)燈，還可以根據(jù)外界光線變化自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，并支持手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度和燈光顏色。同時(shí)，通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，進(jìn)一步提升使用便捷性。

1.2 項(xiàng)目目標(biāo)

• 通過人體紅外傳感器判斷環(huán)境是否有人，當(dāng)有人時(shí)自動(dòng)開啟燈光，沒人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉燈光。
• 利用光敏傳感器采集環(huán)境光照強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈條的亮度，以適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的光線變化。
• 通過按鍵控制不同的功能，如自動(dòng)/手動(dòng)模式切換、亮度調(diào)節(jié)、燈色變化、定時(shí)關(guān)燈等。
• 實(shí)現(xiàn)液晶顯示，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、環(huán)境光線、當(dāng)前亮度等信息。
• 通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP連接，進(jìn)行燈光的遠(yuǎn)程控制。
• 支持?jǐn)?shù)據(jù)上云，連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，上傳燈光控制數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史分析。

2. 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 功能概述

• 智能燈光控制：當(dāng)人體紅外傳感器檢測到有人時(shí)，自動(dòng)開啟燈光；當(dāng)無人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉燈光。
• 亮度調(diào)節(jié)：通過光敏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境光線強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈條的亮度，確保室內(nèi)光線適宜。
• 模式選擇與控制：通過按鍵選擇燈光控制模式（自動(dòng)/手動(dòng)）、亮度調(diào)節(jié)、燈光顏色切換（白光/黃光/暖白）、定時(shí)關(guān)燈等功能。
• 液晶顯示：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前模式、環(huán)境光線強(qiáng)度、當(dāng)前亮度、燈光顏色等信息。
• 藍(lán)牙控制：通過HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的無線通信，用戶可以通過APP遠(yuǎn)程控制燈光的開關(guān)、亮度、定時(shí)等。
• 云端數(shù)據(jù)上傳：通過WIFI模塊和MQTT協(xié)議將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)展示和分析。
• 服務(wù)器功能：采用Python作為后端開發(fā)語言，接收物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)據(jù)，并通過HTML頁面展示和控制設(shè)備狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)功能總結(jié)表

3. 項(xiàng)目硬件模塊組成

3.1 硬件組成

1. 主控芯片：STM32F103RCT6
   • 用于控制整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括各個(gè)傳感器的讀取、信號(hào)處理、控制輸出、液晶顯示等。
2. 人體紅外傳感器
   • 用于檢測教室內(nèi)是否有人，當(dāng)檢測到人時(shí)，發(fā)送信號(hào)給主控芯片以控制燈光的開關(guān)。
3. 光敏傳感器（LDR）
   • 用于檢測環(huán)境的光照強(qiáng)度，根據(jù)外界的光照變化自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光的亮度。
4. LED燈條
   • 通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)燈光的亮度。根據(jù)光敏傳感器的采集值和控制模式自動(dòng)調(diào)整亮度。
5. 按鍵
   • 用于控制系統(tǒng)的手動(dòng)功能，如模式切換、亮度調(diào)節(jié)、定時(shí)控制、燈色變化等。
6. HC-05藍(lán)牙模塊
   • 實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的無線通信，用于遠(yuǎn)程控制燈光的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)等。
7. 液晶顯示屏（LCD）
   • 用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的工作模式、光線強(qiáng)度、燈光亮度等信息。
8. WIFI模塊（ESP8266）
   • 實(shí)現(xiàn)WIFI連接和數(shù)據(jù)上傳功能，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
9. 蜂鳴器
   • 用于提供音頻反饋，例如提醒用戶操作成功或者警告用戶異常情況。
10. 電源模塊
    • 提供5V穩(wěn)定電源，支持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 硬件連接

• STM32F103RCT6與傳感器連接：通過GPIO引腳連接紅外傳感器、光敏傳感器、按鍵等模塊，并使用ADC進(jìn)行模擬信號(hào)的采集。
• LED燈條連接：通過PWM信號(hào)調(diào)節(jié)LED燈條的亮度，GPIO控制燈條的開關(guān)。
• HC-05藍(lán)牙模塊與STM32連接：使用UART通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
• ESP8266與STM32連接：通過UART與STM32通信，負(fù)責(zé)WIFI連接和數(shù)據(jù)上傳。

4. 設(shè)計(jì)思路

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)初始化：
   • 系統(tǒng)上電后，STM32F103RCT6主控芯片初始化所有外設(shè)：紅外傳感器、光敏傳感器、LED燈條、按鍵、LCD顯示屏等模塊。
2. 模式判斷與控制：
   • 通過按鍵選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。
   • 在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)紅外傳感器判斷是否有人，當(dāng)有人的時(shí)候開啟燈光，沒人時(shí)關(guān)閉燈光；同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)光敏傳感器采集的光線亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈條的亮度。
   • 在手動(dòng)模式下，用戶可以通過按鍵或藍(lán)牙APP手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、燈色等。
3. 數(shù)據(jù)上傳與云端管理：
   • 系統(tǒng)通過ESP8266與華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行連接，定期上傳設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前的亮度、光線強(qiáng)度、模式、開關(guān)狀態(tài)等。
4. 手機(jī)APP控制：
   • 用戶可以通過藍(lán)牙與系統(tǒng)通信，遠(yuǎn)程控制燈光的開關(guān)、亮度、模式等。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

1. 主循環(huán)：
   • 監(jiān)測各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，并根據(jù)模式選擇進(jìn)行不同的控制。
   • 根據(jù)按鍵輸入切換模式，調(diào)節(jié)亮度，控制燈光的開關(guān)等。
   • 將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
2. 燈光調(diào)節(jié)算法：
   • 基于光敏傳感器的值，采用線性映射關(guān)系調(diào)整LED燈條的亮度，確保環(huán)境光線適宜。
3. MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)：
   • 通過WIFI模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，使用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和設(shè)備狀態(tài)控制。

5. 使用

的模塊技術(shù)詳情介紹

5.1 STM32F103RCT6

STM32F103RCT6是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有較強(qiáng)的處理能力和豐富的外設(shè)支持，適合用于本項(xiàng)目中進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及控制任務(wù)。

5.2 HC-05藍(lán)牙模塊

HC-05是一款低功耗藍(lán)牙模塊，支持串口通信，可以通過藍(lán)牙與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。適用于本項(xiàng)目中的無線控制功能。

5.3 ESP8266 WIFI模塊

ESP8266是一款集成了TCP/IP協(xié)議棧的低成本Wi-Fi模塊，通過UART與STM32通信，負(fù)責(zé)將設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

5.4 光敏傳感器（LDR）

光敏傳感器是一種能夠根據(jù)光照強(qiáng)度變化輸出相應(yīng)電壓的傳感器，用于采集當(dāng)前環(huán)境的光線強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)燈光亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

6. 總結(jié)

6.1 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

• 節(jié)能高效：通過人體紅外傳感器和光敏傳感器智能控制燈光開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)，有效降低能源浪費(fèi)。
• 智能化：通過按鍵和手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同需求靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。
• 云端管理：支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳至云端，用戶可以通過網(wǎng)頁查看歷史數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制。

6.2 后續(xù)改進(jìn)

• 擴(kuò)展功能：未來可以加入更多傳感器，如溫濕度傳感器、PM2.5傳感器等，以實(shí)現(xiàn)更全面的環(huán)境監(jiān)測。
• 移動(dòng)端優(yōu)化：進(jìn)一步優(yōu)化手機(jī)APP的用戶體驗(yàn)，增加更多控制功能。

7. STM32程序設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，已經(jīng)完成了其他模塊的代碼（如紅外傳感器、光敏傳感器、LED燈控制、按鍵控制、藍(lán)牙通信等模塊的功能實(shí)現(xiàn)），下面給出一個(gè)完整的 main.c 文件，該文件主要實(shí)現(xiàn)了STM32單片機(jī)的主程序功能，并與各子模塊進(jìn)行連接和交互。

STM32 main.c 示例代碼

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "lcd.h"
#include "sensor.h"
#include "led_control.h"
#include "keypad.h"
#include "bluetooth.h"
#include "mqtt.h"

// 定義一些常量
#define TEMPERATURE_THRESHOLD 37.3  // 高溫報(bào)警閾值（假設(shè)單位為攝氏度）
#define AUTO_MODE 1
#define MANUAL_MODE 2

// 定義全局變量
uint8_t current_mode = AUTO_MODE;  // 當(dāng)前工作模式（自動(dòng)模式為1，手動(dòng)模式為2）
uint8_t light_status = 0;          // 當(dāng)前燈光狀態(tài)（0：關(guān)，1：開）
uint8_t light_brightness = 50;     // 當(dāng)前燈光亮度（0到100）
uint8_t light_color = 1;           // 當(dāng)前燈光顏色（1：白色，2：黃色，3：暖白色）

// 定義系統(tǒng)狀態(tài)
float ambient_light = 0.0;         // 當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度（從光敏傳感器獲?。?
uint8_t is_person_present = 0;     // 是否有人員進(jìn)入（從紅外傳感器獲取）
float current_temperature = 0.0;   // 當(dāng)前檢測溫度（從溫度傳感器獲?。?

// 函數(shù)聲明
void System_Init(void);
void System_Update(void);
void Mode_Switch(uint8_t mode);
void Light_Control(void);
void Bluetooth_Control(void);
void Upload_Data_To_Cloud(void);

// 主函數(shù)
int main(void)
{
    // 初始化系統(tǒng)
    HAL_Init();
    System_Init();

    // 主循環(huán)
    while (1)
    {
        // 1. 獲取傳感器數(shù)據(jù)
        ambient_light = Get_Ambient_Light();        // 獲取環(huán)境光線強(qiáng)度
        is_person_present = Get_Person_Present();   // 獲取紅外傳感器狀態(tài)
        current_temperature = Get_Temperature();   // 獲取當(dāng)前溫度

        // 2. 根據(jù)工作模式控制燈光
        Light_Control();

        // 3. 根據(jù)按鍵進(jìn)行控制
        current_mode = Keypad_Scan();  // 掃描按鍵，獲取用戶輸入的模式選擇

        // 4. 藍(lán)牙控制
        Bluetooth_Control();  // 檢查是否有藍(lán)牙控制信號(hào)

        // 5. 上傳數(shù)據(jù)到云
        Upload_Data_To_Cloud();

    }
}

// 系統(tǒng)初始化
void System_Init(void)
{
    // 初始化外設(shè)
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  // 按鍵、LED等的GPIO初始化
    LCD_Init();  // 初始化LCD顯示
    Sensor_Init();  // 初始化傳感器
    Bluetooth_Init();  // 初始化藍(lán)牙模塊
    MQTT_Init();  // 初始化MQTT客戶端（物聯(lián)網(wǎng)上傳）
    HAL_UART_Init(&huart1);  // 初始化串口，用于藍(lán)牙和調(diào)試
}

// 系統(tǒng)更新函數(shù)：根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)狀態(tài)
void System_Update(void)
{
    // 獲取傳感器數(shù)據(jù)
    ambient_light = Get_Ambient_Light();
    is_person_present = Get_Person_Present();
    current_temperature = Get_Temperature();

    // 控制燈光的開關(guān)和亮度
    if (current_mode == AUTO_MODE)
    {
        if (is_person_present)
        {
            // 如果有人的話，開啟燈光
            if (!light_status)
            {
                Turn_On_Light();  // 開燈
                light_status = 1;
            }
        }
        else
        {
            // 如果沒人，關(guān)閉燈光
            if (light_status)
            {
                Turn_Off_Light();  // 關(guān)燈
                light_status = 0;
            }
        }

        // 調(diào)節(jié)燈光亮度
        light_brightness = (uint8_t)(100 - ambient_light); // 假設(shè)光敏傳感器值為0-100，亮度值反比
        Set_Light_Brightness(light_brightness);
    }
    else if (current_mode == MANUAL_MODE)
    {
        // 手動(dòng)模式下，允許用戶控制燈光的亮度和顏色
        light_brightness = Keypad_Get_Brightness();  // 獲取用戶設(shè)置的亮度
        light_color = Keypad_Get_Color();  // 獲取用戶設(shè)置的顏色
        Set_Light_Brightness(light_brightness);
        Set_Light_Color(light_color);
    }

    // 溫度檢測
    if (current_temperature > TEMPERATURE_THRESHOLD)
    {
        Beep();  // 蜂鳴器報(bào)警
        LCD_Display_String("High Temperature Alert!");  // 顯示溫度警告信息
    }
    else
    {
        LCD_Clear();
    }
}

// 燈光控制函數(shù)
void Light_Control(void)
{
    // 自動(dòng)模式下燈光的開關(guān)與亮度調(diào)節(jié)
    if (current_mode == AUTO_MODE)
    {
        if (is_person_present)
        {
            if (!light_status)
            {
                Turn_On_Light();
                light_status = 1;
            }
        }
        else
        {
            if (light_status)
            {
                Turn_Off_Light();
                light_status = 0;
            }
        }
    }
}

// 藍(lán)牙控制
void Bluetooth_Control(void)
{
    uint8_t command = Bluetooth_Receive_Command();
    if (command != 0)
    {
        // 根據(jù)接收到的藍(lán)牙命令進(jìn)行控制
        if (command == 1)  // 開燈
        {
            Turn_On_Light();
            light_status = 1;
        }
        else if (command == 2)  // 關(guān)燈
        {
            Turn_Off_Light();
            light_status = 0;
        }
        else if (command == 3)  // 調(diào)節(jié)亮度
        {
            light_brightness = Bluetooth_Get_Brightness();
            Set_Light_Brightness(light_brightness);
        }
    }
}

// 上傳數(shù)據(jù)到云
void Upload_Data_To_Cloud(void)
{
    // 使用MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
    char message[100];
    snprintf(message, sizeof(message), "Light: %d, Brightness: %d, Temp: %.2f, Person: %d",
             light_status, light_brightness, current_temperature, is_person_present);
    MQTT_Publish("lighting_system/data", message);
}

代碼分析

1. 系統(tǒng)初始化 (System_Init)：
   • 初始化了系統(tǒng)中所有的硬件，包括LCD顯示、傳感器、藍(lán)牙模塊、MQTT客戶端等。
2. 傳感器數(shù)據(jù)采集 (System_Update)：
   • 獲取各個(gè)傳感器（如紅外傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器）的數(shù)據(jù)，并根據(jù)自動(dòng)/手動(dòng)模式控制燈光的開關(guān)和亮度。
   • 若溫度超過設(shè)定閾值（37.3℃），觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并在LCD顯示上顯示警告。
3. 燈光控制 (Light_Control)：
   • 在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)紅外傳感器的狀態(tài)（是否有人員進(jìn)入）自動(dòng)控制燈光的開關(guān)，同時(shí)根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度調(diào)節(jié)燈光亮度。
4. 藍(lán)牙控制 (Bluetooth_Control)：
   • 通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP進(jìn)行通信，接收并執(zhí)行控制命令（如開關(guān)燈、調(diào)節(jié)亮度等）。
5. 數(shù)據(jù)上傳 (Upload_Data_To_Cloud)：
   • 通過MQTT協(xié)議將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析。

結(jié)語

這段代碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于STM32的教室節(jié)能照明系統(tǒng)的核心功能，集成了人體紅外傳感器、光敏傳感器、藍(lán)牙控制、溫度監(jiān)測、MQTT物聯(lián)網(wǎng)上傳等模塊?？梢愿鶕?jù)不同的環(huán)境需求自動(dòng)調(diào)整燈光狀態(tài)，同時(shí)還支持手動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制。