基于STM32F103單片機的物聯網節能燈控制系統設計

邱浩男

摘 要：針對高校各個教室的節能燈在使用中普遍存在的由于關斷控制不節制及智能化較低造成的電力浪費問題，重點研究節能燈的智能化控制系統。文章采用STM32F103單片機完成節能燈的控制系統方案設計，使其控制系統具有節能燈的節能控制及物聯網功能，基于功能方案設計，完成整體的硬件系統及軟件系統設計，通過在某個高校的試驗，得出該控制系統可以較好地實現對節能燈的控制，最大化節約電量的結論。

關鍵詞：STM32F103單片機;節能燈;物聯網;控制系統;設計

1? ? 節能燈控制系統方案

本設計采用STM32F103單片機完成節能燈控制系統的方案設計。STM32F103單片機是ST公司推出的一款16位微型單片機，近年來，在工業控制、物聯網行業得到了廣泛應用。

節能燈控制系統實現的功能如下：（1）智能開關功能。利用STM32F103靈活的定時器PWM輸出功能，實現節能燈PWM調節控制，使節能燈的控制更加穩定，減小節能燈由于常規直接滿電壓啟動造成的沖擊電流，延長節能燈的使用壽命。（2）感應功能。當有人員靠近節能燈的光照距離范圍內時，控制系統可以完成及時檢測，并將檢測信號送入STM32F103單片機，參與節能燈的智能化控制邏輯。當節能燈周邊長時間無人時，進行自動熄滅或者降低亮度處理，進一步節約電量。（3）光照度檢測功能。控制系統可以完成使用環境的光照度檢測，確保在白天或者光照度較好的時間內，進入熄滅或者節能工作狀態，節約電力，減少浪費。（4）定時開關功能。控制系統可以完成開關定時功能，并支持夏令時、冬令時使用習慣的自動調節，整點定時開關鬧鈴，最大化地省去值班人員的工作量，節約人力及電力開銷。

2? ? 節能燈控制系統設計

2.1? 硬件系統設計

控制系統的硬件組成主要包括：STM32F103外圍系統、節能燈的功率PWM調節模塊、人體感應模塊、時鐘電路模塊、光照度檢測模塊、串口通信模塊。

（1）STM32F103單片機及其最小系統。主要由晶體模塊、復位電路、CPU組成;其中，晶體模塊選用8 MHz的外部晶體并帶載3 PF的獨立電容，為CPU控制系統的工作提供必要的時鐘基準。復位電路選用典型的RC上電復位電路，R選用103的表貼電阻，電容C選用表貼104電容。單片機CPU選用STM32F103C8T6。（2）節能燈的功率驅動模塊。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，實現CPU與強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，提高運行穩定性;PWM信號放大器件選用專用驅動芯片33996器件，可以同時支持SPI通信的16路控制信號，達到同時控制多路節能燈的目的;磁保持繼電器主要用于實現節能燈主控強電回路的導通。（3）人體感應模塊。選用常規SR04人體感應模塊實現節能燈光照范圍內的人員檢測。（4）時鐘電路模塊。選用DS1302時鐘芯片，完成上電的自動校時，實現控制系統的24 h定時和計時。（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單片機自帶的AD采樣功能，完成使用環境的光照度檢測。

2.2? 軟件設計

軟件設計包括：初始化、主循環、PWM子程序、IO中斷子程序、時間子程序、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子程序實現基于定時器的PWM調制脈沖信號的產生于輸出;外部中斷實現人體感應信號的檢測功能;時間子程序完成DS1302時鐘器件的數據讀取;AD采樣處理子程序完成光敏電阻電壓值的采樣及處理;串口中斷子程序實現后臺監控平臺的物聯網通信報文解析。

3? ? 實驗驗證

完成裝置的設計及加工之后，在某高校節能燈改造節電工程應用中進行實際驗證，選用校園內，使用頻率較高的一樁教學樓進行試驗。為了更好地確保試驗數據的準確性及實際節能效果，對于實驗樓，試驗時間的選用確保兼顧冬令時及夏令時使用環境。實驗過程中，為確保試驗數據離散性帶來的影響降低到最低，實驗采用記錄5組試驗數據的處理方式。使用節能控制系統前用電量數據（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;

使用節能燈控制系統后用電量數據（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;

通過上面的實驗數據對比可以得出，使用該節能控制系統之后，一季度節電18.7%;二季度節電27.8%;三季度節電30%;四季度節電31.5%;全年節電約27%。

4? ? 結語

本設計采用STM32F103單片機完成的節能燈控制系設計，開展硬件模塊電路設計及軟件模塊設計，最后實驗數據得出，該節能燈控制系統可以完成年度電量節約27%的用電量，對于校園節能改造具有較大的實際影響意義，同時也驗證了該控制系統設計的正確性。

[參考文獻]

[1]任軍偉. 城市綠色照明與路燈節能措施[J].中國高新技術企業，2011（4）：106-107.

[2]李強華，尚江龍，張根寶，等.教學樓智能燈光控制系統設計[J].計算機測量與控制，2007（8）：1011-1013.