【DIY】基于STM32的校园照明智能控制系统的研究

huachuixuezhiwu · 发表于 2017-7-24 10:39:29

内容摘要
该设计主要采用基于STM32微控制器与CAN总线结合的方法，由光线强度检测电路和热释电红外信号检测电路组成检测电路，通过检测光线强度强弱和是否有人靠近，从而控制灯的开启与关闭。采用组态王软件做上位机进行控制和监控，实现了与外界环境相结合的人为可控智能闭环系统，实际表明该系统具有低功耗，稳定性强，通信距离远，传输速度快，误码率低等特点。

近年来，低碳生活，节能减排越来越受到国家的大力支持，在校园生活中照明用电量约占校园总体用电量的40%左右，因此，节约校园照明用电消耗成为响应国家对于节能号召的重要措施之一。一般的校园照明系统只是运用普通的声控及光控传感器成开环的控制系统，其灵活性差，功耗大，不可人为干预。而市场上闭环控制的照明系统投入资金大，稳定性差，无法在校园中得到推广。

1 总体方案设计
系统的设计主要有以下五部分组成：上位PC机、CAN适配卡、微控制器STM32、CAN总线接口模块、光线检测照明模块。上位PC机提供操作界面，并且利用组态王软件通过CAN总线向微控制器STM32发送指令和接收微控制器STM32发送的信息，微控制器STM32通过与CAN总线接口电路向CAN总线发送指令和接收CAN总线各个节点的信息，检测照明模块通过检测电路将检测到的信息发送给STM32微控制器，STM32微控制器处理检测电路发来的信息控制照明设备。系统结构框图如图1所示。

2 硬件设计
2.1 控制器选型
普通设计中大多采用51单片机、PIC单片机或者是AVR单片机，这些单片机的缺点是高功耗、性能低并且硬件资源匮乏。相比之下，STM 32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARM Cortex-M3内核的微控制器。本设计采用的是STM32F103型号，属于中等容量增强型，32位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器，拥有强大的硬件资源：USB，CAN，7个定时器，2个ADC，9个通信接口。最高72MHz的工作频率。

2.2 CAN接口电路
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，具有对通信数据帧处理，使网络内的节点个数在理论上不受限制，可在各节点之间实现自由通信，结构简单，传输距离远和速率快的特点，成为应用最广的现场总线之一。</p> <p> TJA1050是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口，可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。与普通设计中运用的PCA82C250和PCA82C251等CAN控制器相比，具有输出信号CANH和CANL的最佳匹配，使电磁辐射更低，节点未供电时，性能有所改进，无待机模式等特点。这使得TJA1050特别适合于在部分供电网络中节点掉电的情况下使用。其与STM32接口电路如图2所示。

2.3 PC机与TJA1050接口电路
由于PC的串口为RS-232电平，无法直接与TJA1050相连，所以要想让PC机与CAN总线通信必须在TJA1050和PC机之间加上电平转换模块，本设计加入的是MAX-232电平转换芯片如图3所示。

2.4 检测照明模块
本设计检测电路由光线强度检测电路和热释电红外信号检测电路组成。光线强度检测电路是利用光敏电阻的电阻值随照射光强度增加而下降的特性而搭建的电路。白天时光照较大，光敏电阻值较小因此向STM32微控制器发送高电平，STM32微控制器接受到光照强度检测电路发送的高电平后，向照明设备发送高电平，从而控制灯的关闭。反之，晚上光线较暗时，STM32微控制器向照明设备发送低电平，从而控制灯的开启。

热释电红外信号检测电路由热释电红外传感器接收人体红外信号，并经BISS0001芯片及外围电路进行放大、滤波与延时等处理后，发送给STM32。检测电路正常工作时，当人体接近时，向STM32微控制器发送高电平。当人体离开时，延时10～30 s后，向STM32微控制器发送低电平。STM32微控制器根据接受到的高低电平控制照明设备的开启和关闭。

3 软件设计
3.1 软件流程图
主流程图如图4所示，系统初始化完成后，检测CAN总线发来的指令，如果CAN总线发来指令，ST3432微控制器执行发来的指令。反之，执行下一步。检测电路中的光线强度检测电路先检测，如果光线强度较强，STM32微控制器控制灯的关闭，且热释红外检测电路停止工作。如果光线强度较弱，热释红外检测电路开始工作，当热释红外检测电路检测到有人经过时，STM32微控制器控制灯的开启。反之，灯关闭。

3.2 上位机
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。

本设计通过CAN-RS-232的转接口实现CAN总线与装有OPC-Server的PC机串口进行数据交换。从而实现通过组态王对整个校园照明系统进行实时的监控。其组态王监控界面如图5所示。

4 结束语
本设计以STM32微控制器为核心及RS-232/CAN通信转换器、节点以及上位机组成，实现了CAN通信，达到了对照明设备的可控性和闭环自身调节的目的。基于STM32微控制器通过CAN总线控制的智能照明控制系统具有功能强大、实时性强、稳定可靠、便于扩展等特点，应用前景广泛。