基于STM32F103單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱浩男

摘 要：針對高校各個(gè)教室的節(jié)能燈在使用中普遍存在的由于關(guān)斷控制不節(jié)制及智能化較低造成的電力浪費(fèi)問題，重點(diǎn)研究節(jié)能燈的智能化控制系統(tǒng)。文章采用STM32F103單片機(jī)完成節(jié)能燈的控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，使其控制系統(tǒng)具有節(jié)能燈的節(jié)能控制及物聯(lián)網(wǎng)功能，基于功能方案設(shè)計(jì)，完成整體的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過在某個(gè)高校的試驗(yàn)，得出該控制系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)對節(jié)能燈的控制，最大化節(jié)約電量的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：STM32F103單片機(jī);節(jié)能燈;物聯(lián)網(wǎng);控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1? ? 節(jié)能燈控制系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)完成節(jié)能燈控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。STM32F103單片機(jī)是ST公司推出的一款16位微型單片機(jī)，近年來，在工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

節(jié)能燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）智能開關(guān)功能。利用STM32F103靈活的定時(shí)器PWM輸出功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能燈PWM調(diào)節(jié)控制，使節(jié)能燈的控制更加穩(wěn)定，減小節(jié)能燈由于常規(guī)直接滿電壓啟動(dòng)造成的沖擊電流，延長節(jié)能燈的使用壽命。（2）感應(yīng)功能。當(dāng)有人員靠近節(jié)能燈的光照距離范圍內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)可以完成及時(shí)檢測，并將檢測信號送入STM32F103單片機(jī)，參與節(jié)能燈的智能化控制邏輯。當(dāng)節(jié)能燈周邊長時(shí)間無人時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)熄滅或者降低亮度處理，進(jìn)一步節(jié)約電量。（3）光照度檢測功能。控制系統(tǒng)可以完成使用環(huán)境的光照度檢測，確保在白天或者光照度較好的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入熄滅或者節(jié)能工作狀態(tài)，節(jié)約電力，減少浪費(fèi)。（4）定時(shí)開關(guān)功能。控制系統(tǒng)可以完成開關(guān)定時(shí)功能，并支持夏令時(shí)、冬令時(shí)使用習(xí)慣的自動(dòng)調(diào)節(jié)，整點(diǎn)定時(shí)開關(guān)鬧鈴，最大化地省去值班人員的工作量，節(jié)約人力及電力開銷。

2? ? 節(jié)能燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件組成主要包括：STM32F103外圍系統(tǒng)、節(jié)能燈的功率PWM調(diào)節(jié)模塊、人體感應(yīng)模塊、時(shí)鐘電路模塊、光照度檢測模塊、串口通信模塊。

（1）STM32F103單片機(jī)及其最小系統(tǒng)。主要由晶體模塊、復(fù)位電路、CPU組成;其中，晶體模塊選用8 MHz的外部晶體并帶載3 PF的獨(dú)立電容，為CPU控制系統(tǒng)的工作提供必要的時(shí)鐘基準(zhǔn)。復(fù)位電路選用典型的RC上電復(fù)位電路，R選用103的表貼電阻，電容C選用表貼104電容。單片機(jī)CPU選用STM32F103C8T6。（2）節(jié)能燈的功率驅(qū)動(dòng)模塊。由光隔器件、PWM信號放大器件、磁保持繼電器組成;光隔器件選用foderm 121快速光耦，實(shí)現(xiàn)CPU與強(qiáng)電控制回路之間的安全隔離作用，降低CPU控制回路的干擾信號，提高運(yùn)行穩(wěn)定性;PWM信號放大器件選用專用驅(qū)動(dòng)芯片33996器件，可以同時(shí)支持SPI通信的16路控制信號，達(dá)到同時(shí)控制多路節(jié)能燈的目的;磁保持繼電器主要用于實(shí)現(xiàn)節(jié)能燈主控強(qiáng)電回路的導(dǎo)通。（3）人體感應(yīng)模塊。選用常規(guī)SR04人體感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)能燈光照范圍內(nèi)的人員檢測。（4）時(shí)鐘電路模塊。選用DS1302時(shí)鐘芯片，完成上電的自動(dòng)校時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的24 h定時(shí)和計(jì)時(shí)。（5）光照度檢測模塊。選用光照度檢測的光敏電阻組成分壓電路，并使用STM32F103C8T6單片機(jī)自帶的AD采樣功能，完成使用環(huán)境的光照度檢測。

2.2? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括：初始化、主循環(huán)、PWM子程序、IO中斷子程序、時(shí)間子程序、AD采樣處理子程序、串口中斷子程序。

初始化程序完成整體CPU及相關(guān)變量的初始化處理;主程序完成整體控制邏輯的處理;PWM子程序?qū)崿F(xiàn)基于定時(shí)器的PWM調(diào)制脈沖信號的產(chǎn)生于輸出;外部中斷實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)信號的檢測功能;時(shí)間子程序完成DS1302時(shí)鐘器件的數(shù)據(jù)讀取;AD采樣處理子程序完成光敏電阻電壓值的采樣及處理;串口中斷子程序?qū)崿F(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)通信報(bào)文解析。

3? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成裝置的設(shè)計(jì)及加工之后，在某高校節(jié)能燈改造節(jié)電工程應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，選用校園內(nèi)，使用頻率較高的一樁教學(xué)樓進(jìn)行試驗(yàn)。為了更好地確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實(shí)際節(jié)能效果，對于實(shí)驗(yàn)樓，試驗(yàn)時(shí)間的選用確保兼顧冬令時(shí)及夏令時(shí)使用環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過程中，為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性帶來的影響降低到最低，實(shí)驗(yàn)采用記錄5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式。使用節(jié)能控制系統(tǒng)前用電量數(shù)據(jù)（kWh）如下：

一季度：5 010，5 518，5 300，5 455，5 678;二季度：4 990，4 934，5 120，5 350，5 505;三季度：4 343，4 444，4 300，4 475，4 768;四季度：3 980，3 944，3 110，3 340，3 588;

使用節(jié)能燈控制系統(tǒng)后用電量數(shù)據(jù)（kWh）如下：

一季度：4 444，4 508，4 320，4 420，4 230;二季度：3 780，3 678，3 567，3 898，3 778;三季度：3 017，3 003，3 012，3 080， 3 501;四季度：2 960，2 875，2 100，2 235，2 134;

通過上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以得出，使用該節(jié)能控制系統(tǒng)之后，一季度節(jié)電18.7%;二季度節(jié)電27.8%;三季度節(jié)電30%;四季度節(jié)電31.5%;全年節(jié)電約27%。

4? ? 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用STM32F103單片機(jī)完成的節(jié)能燈控制系設(shè)計(jì)，開展硬件模塊電路設(shè)計(jì)及軟件模塊設(shè)計(jì)，最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，該節(jié)能燈控制系統(tǒng)可以完成年度電量節(jié)約27%的用電量，對于校園節(jié)能改造具有較大的實(shí)際影響意義，同時(shí)也驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

[參考文獻(xiàn)]

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