李大海 祁康樂

摘? 要：根據(jù)樓宇照明及安防系統(tǒng)的特點，結(jié)合人們對照度、色度的需求，以及自然光的優(yōu)化利用，設(shè)計了綠色、健康、節(jié)能的樓宇智能照明及安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為處理核心、通信網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)進行開發(fā)，利用無線射頻技術(shù)及WIFI技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計用戶終端APP控制程序，實現(xiàn)了樓宇智能照明及環(huán)境監(jiān)測無線控制系統(tǒng)。

關(guān)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(tǒng)是當今低碳、綠色和以人為本概念下的典型產(chǎn)物，它的進步與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密不可分。物聯(lián)網(wǎng)概念的提出已經(jīng)有十余年的歷史，并在世界范圍內(nèi)引起越來越高的關(guān)注。在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)從無到有，從有到優(yōu)。物聯(lián)網(wǎng)不再僅僅是人們的設(shè)想，國內(nèi)己經(jīng)有了很多與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的現(xiàn)實應(yīng)用，樓宇智能照明就是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的典型應(yīng)用之一。樓宇智能照明至今在中國已經(jīng)歷了近6年的發(fā)展，逐漸走向成熟。樓宇智能照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也推動了智能照明系統(tǒng)研究、設(shè)計的不斷進步。同時，各種新型照明光源的成功發(fā)明和廣泛應(yīng)用，比如LED和CCFL，做為樓宇智能照明系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，為其提供了更多、更好的光源選擇。

智能照明系統(tǒng)還處于發(fā)展初期，無論是國內(nèi)還是國際上，智能照明行業(yè)沒有統(tǒng)一的標準。國內(nèi)更令人堪憂的一點是，與發(fā)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(chǎn)業(yè)所占的比重還很低。因此，樓宇的智能照明系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間。

1 整體設(shè)計

本研究針對樓宇照明，設(shè)計一套完整的智能控制系統(tǒng)，主要研究樓宇智能照明的控制方法，尤其強調(diào)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(shè)計樓宇照明的自動調(diào)光功能、場景模式切換功能和樓宇照明分區(qū)域整體控制功能，達到了綠色節(jié)能的設(shè)計目的。同時研究樓宇智能照明系統(tǒng)的組網(wǎng)和通信方案，為了更好地實現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念，本設(shè)計考慮了人們的用眼習慣，設(shè)計了除了照度以外其他照明因素的調(diào)節(jié)功能。提倡使用自然光源，系統(tǒng)監(jiān)測外界光照環(huán)境，將其作為控制參數(shù)。最后，我們利用ARM技術(shù)、NRF24L01技術(shù)、WIFI技術(shù)實現(xiàn)了上述方案，設(shè)計了基于NRF24L01技術(shù)節(jié)點物理地址的分配規(guī)則，對樓宇實際位置進行了相應(yīng)編碼，這樣，解決了建立樓宇實際位置和節(jié)點地址的對應(yīng)關(guān)系問題。使用戶可以方便對樓宇內(nèi)具體位置的照明情況進行控制。采用嵌入式開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形界面編程技術(shù)和單片機開發(fā)技術(shù)，按照設(shè)計需求編寫了系統(tǒng)程序。并且設(shè)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(wǎng)絡(luò)等將各個模塊組成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)樓宇智能照明及安防系統(tǒng)的各功能模塊樣機，如圖1所示。

2 終端節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在現(xiàn)場的傳感器節(jié)點、數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸工作。裝有傳感器的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集、預(yù)先處理以及與匯聚節(jié)點也就是物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點的通信工作。物聯(lián)網(wǎng)主節(jié)點實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起與維護，數(shù)據(jù)的接收和上傳工作。

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

外設(shè)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(shè)接口電路如圖3所示。

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，在電源電路的設(shè)計上采用專用的降壓穩(wěn)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(guān)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(nèi)部自帶高速AD轉(zhuǎn)換器及PWM等外設(shè)滿足開發(fā)要求。實時監(jiān)測按鍵以及搖桿變化，打包成數(shù)據(jù)包，通過NRF24L01以每包200ms速度進行發(fā)送。功能概述：可以通過NRF24L01遠距離進行實時控制各燈開關(guān)及亮暗，如圖5（a）所示?？梢酝ㄟ^ESP8266無線模塊與手機APP網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制各燈開關(guān)及亮暗，并在APP上實時顯示燈開關(guān)狀態(tài)、亮度信息、安防狀態(tài)、環(huán)境信息。系統(tǒng)狀態(tài)實時顯示在TFT彩屏上，可直接監(jiān)測，如圖5（b）所示。

3 控制端軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用多個任務(wù)，不同任務(wù)有不同的優(yōu)先級，通過任務(wù)調(diào)度方式實現(xiàn)任務(wù)的切換，通過信號量、消息隊列、事件標志組進行任務(wù)間通信。系統(tǒng)整體流程如圖6所示。

（1）優(yōu)先級1任務(wù)：實時檢測NRF24L01是否接收到數(shù)據(jù)，如果檢測到數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至事件標志組，等待處理。

（2）優(yōu)先級2任務(wù)：任務(wù)處于阻塞狀態(tài)，如果任務(wù)請求到發(fā)送數(shù)據(jù)命令，ESP8266將當前狀態(tài)信息打包發(fā)送至手機APP。

（3）優(yōu)先級3任務(wù)：實時監(jiān)測ESP8266是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進行拷貝發(fā)送至消息隊列，繼續(xù)接收。消息隊列有20級深度，可存放20條消息，等待系統(tǒng)處理。

（4）優(yōu)先級4任務(wù)：請求ESP8266消息，如果請求成功，處理ESP8266消息，并發(fā)送事件標志位。

（5）優(yōu)先級5任務(wù)：任務(wù)處于阻塞狀態(tài)，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(zhí)行相關(guān)動作。

（6）優(yōu)先級6任務(wù)：進行溫濕度檢測監(jiān)測，環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，人體感應(yīng)監(jiān)測，并在TFT彩屏顯示當前狀態(tài)信息。

（7）優(yōu)先級7任務(wù)：當各任務(wù)均處于掛起或等待狀態(tài)時，進入本任務(wù)，用于統(tǒng)計系統(tǒng)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(guān)及亮暗，以及防盜模式的開關(guān)，并實時接收系統(tǒng)傳來的信息進行顯示。

系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議進行傳輸數(shù)據(jù)，采用主從應(yīng)答模式，如果主機或從機沒有接收到信息，則判定數(shù)據(jù)丟失，再次發(fā)送數(shù)據(jù)。如果主（從）接收到數(shù)據(jù)之后立即發(fā)送應(yīng)答信號，從（主）判斷應(yīng)答信號之后再進行相應(yīng)操作。用戶通過手機端APP軟件連接局域網(wǎng)與硬件系統(tǒng)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(guān)、亮度、安防模式開關(guān)。實時顯示溫度、濕度、空氣質(zhì)量信息并在超標時進行預(yù)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(jié)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(jié)能照明終將會迎來快速發(fā)展的時代。本系統(tǒng)完成了樓宇智能照明終端節(jié)點設(shè)計、無線通信網(wǎng)絡(luò)的搭建、手機APP軟件設(shè)計，實現(xiàn)了用戶的個性化的舒適性節(jié)能照明及安防需求。系統(tǒng)測試運行穩(wěn)定，效果良好，進一步調(diào)試完善后可實際應(yīng)用到樓宇智能管理中。

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