基于STM32的多功能智慧照明系統設計

摘 要：針對傳統照明系統功能簡單，智能化程度低，難以滿足多場景需求的問題，設計了一款基于STM32的多功能智慧照明系統，可適用于室外和室內兩種應用場景。以STM32F103C8T6單片機為主控芯片，開發集成照明燈控制和生活信息采集的多功能前端系統，實現四種不同方式的照明燈開關控制及定時照明、燈光亮度調節功能，并且具備環境溫濕度和人體體溫的數據采集功能，用于生活環境及人體健康狀況的靈活監測。基于MIT APP Inventor開發了一款手機端智能管理軟件，實現對前端系統采集數據的接收和圖形化顯示，以及對照明燈的遠程開關和亮度調節。該前端系統功能多樣，手機端管理軟件靈活、智能，具有良好的實用價值。

關鍵詞：智慧照明系統；生活信息采集；STM32單片機；MIT APP Inventor；藍牙通信

中圖分類號：TP311；TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0172-07

Design of Multi-functional Intelligent Lighting System Based on STM32

FANG Fengchang， REN Chaohui， CHEN Shian， ZHANG Bin， ZOU Guofeng

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： Aiming at the problems of simple function and low intelligence of traditional lighting system， it is difficult to meet the needs of multiple scenes， a multi-functional intelligent lighting system based on STM32 is designed， which can be applied to both outdoor and indoor application scenarios. With STM32F103C8T6 single-chip microcomputer as the main control chip， a multi-functional front-end system integrating lighting control and life information collection is developed to realize four different types of lighting switch control， timing lighting， lighting brightness adjustment functions， and data collection functions of ambient temperature and humidity and human body temperature， which is used for flexible monitoring of living environment and human health. Based on MIT APP Inventor， an intelligent management software on mobile phone is developed to receive and display the data collected by the front-end system， and to remotely switch and adjust the brightness of the control light. The front-end system has various functions， and the mobile management software is flexible and intelligent， which has good practical value.

Keywords： intelligent lighting system; life information collection; STM32 SCM; MIT APP Inventor; bluetooth communication

0 引 言

隨著新型材料、傳感器和無線網絡技術的快速發展，智慧照明系統已成為智慧城市和智能家居的重要組成，給人們的生活帶來巨大便利[1-3]。智慧路燈方面，文獻[4]設計了一款基于Arduino的多功能節能路燈控制模塊，可根據環境光線強度、人流量及車流量實現路燈的自動開關。文獻[5]研究了一款適合隧道照明的LED燈智能控制系統，可根據隧道內有無車輛控制LED燈。室內照明方面，文獻[6]設計了一種基于STM32的多功能型臺燈，可根據閱讀環境變化調節光強，起到保護用戶視力的作用，使照明設備更加人性化。文獻[7]設計了一款室內智慧照明系統，實現了調光、人走熄燈，同時在睡眠模式可自動調節燈光到預先設定好的亮度。文獻[8]設計了一款適合圖書館的照明燈，將光源嵌入桌面，利用水杯的重力控制燈的開關。綜上所述，現有智慧照明系統和裝置主要應用于城市路燈和室內照明燈領域，主要關注燈的自動開關和光線自主調節功能，遠未達到真正的智能化要求，且現有智慧照明系統應用場景的可拓展性不強。

因此，本文提出了一種適用于不同場景的多功能智慧照明系統設計方案。該系統由前端系統和后端手機軟件組成。前端系統以STM32單片機為核心搭建，包括照明燈本體、照明燈控制單元、生活信息采集單元。照明燈控制單元主要實現開關燈控制和光線調節，其中開關燈控制包括四種方式：1）語音控制照明燈開關和定時照明；2）手機端軟件遠程控制照明燈開關；3）光線較暗并且有人體活動時短暫開啟照明燈；4）按鍵手動控制照明燈開關。光線調節通過手機軟件運程調節照明燈亮度實現。生活信息采集單元集成了環境溫濕度和人體體溫數據的采集、顯示與傳輸等功能。后端手機軟件基于MIT App Inventor平臺開發設計，主要實現對前端采集數據的圖形化顯示和照明燈控制命令的獲取及發送。

本文設計的多功能智慧照明系統適用于室外場所和室內場所。對應不同應用場所，該系統有兩種不同的工作模式，模式選擇可通過語音控制實現。室外場景模式主要針對院落或庭院，用戶在這些場所對于靈活控制開關燈和調節燈光亮度需求較高，因此模式一具備上述四種開關燈控制方式和燈光調節功能；而室內場景模式主要針對臥室和客廳，對于照明系統也有多種需求，但不需要具備光線較暗且有人體活動時短暫開啟照明燈的功能。除此之外，該系統中的生活信息采集單元可同時適用于兩種不同場景。

綜上所述，該系統可以根據環境光線和人體活動短暫開啟照明燈實現了人在燈亮、人走燈滅，能夠有效節約能源，語音控制的設計在簡化操控的同時也適用于不方便用手開關燈的場合，定時照明功能可以有效避免忘記關燈，燈光亮度調節滿足了用戶對不同燈光亮度的需求，智能化程度顯著提高。溫濕度測量可以方便用戶及時查看環境的適宜情況，體溫測量功能適應健康檢測的需求，用戶可隨時測量體溫，方便靈活。另外，手機軟件的設計，可實現照明燈的遠程控制，圖形化顯示功能則提高了生活信息監測數據的可讀性和系統美觀性。

1 系統整體架構設計

多功能智慧照明系統包括前端系統和后端手機軟件。前端系統以STM32單片機為核心，主要涉及前端硬件裝置設計，以及與硬件匹配的軟件功能開發，實現對生活信息數據的采集、顯示與發送，照明燈控制命令的接收以及照明燈的智能控制。后端手機軟件實現對生活信息數據的接收、圖形化顯示，以及照明燈控制命令的獲取和發送。系統總體框架如圖1所示。

2 前端系統設計

前端系統選STM32F103C8T6單片機作為主控，其他硬件模塊包括溫濕度傳感器DHT11、GY-906-BCC紅外測溫模塊、LD3320語音識別模塊、光敏電阻模塊、繼電器模塊、HC-SR501人體紅外感應模塊、可控硅模塊、HC-05藍牙模塊以及SSD1306-I2C OLED顯示屏、兩腳按鍵。系統的硬件電路關系如圖2所示。

STM32F103C8T6單片機最小系統主要包括系統電源電路、啟動電路、晶振電路、復位電路以及程序下載電路，其規格參數如表1所示。前端系統軟件設計在Keil5環境下采用C語言開發。

2.1 功能電路設計

2.1.1 供電電源模塊設計

由于STM32單片機最小系統自帶接口難以實現為其他各傳感器供電。因此，在硬件設計時，單獨焊接制作了一個包含雙排排針的電源板。

供電電源為18650鋰電池組，該電池組由六塊18650 3.7 V 666 mA時充電鋰電池組成，每兩塊鋰電池并聯為一個小單元，3個小單元通過保護板串聯組成額定電壓11.1 V（最高電壓12.6 V）的電池組[9]。電池組正負極兩根導線經KCD11船型兩腳開關與DC-DC降壓模塊相連。降壓模塊可實現直流6～14 V到直流4.9～5.1 V的降壓轉換，輸出電流最高達3 A，滿足前端系統供電需求。DC-DC降壓模塊輸出端正負極兩根導線分別接電源板的5 V排針和GND排針，電源板排針再通過導線連接到傳感器和STM32單片機最小系統，為傳感器以及STM32單片機最小系統供電。

2.1.2 光敏電阻模塊電路設計

光敏電阻模塊對環境光線非常敏感，用來檢測周圍環境的光線強度，其在環境亮度低于設定閾值時，DO引腳（數字開關量輸出端）輸出高電平，當環境亮度超過設定閾值時，DO引腳輸出低電平，其閾值可以通過模塊上的旋鈕進行調節，模塊電路原理如圖3所示。光敏電阻模塊的工作電壓為3.3～5 V，其VCC和GND引腳分別連接電源板的5 V和GND排針，DO引腳連接STM32單片機PA5引腳。

2.1.3 OLED顯示屏模塊電路設計

OLED（Organic Light-Emitting diode）有機發光二極管顯示屏參數如下：尺寸為0.96英寸、分辨率為128×64，驅動芯片為單芯片CMOS OLED/PLED驅動器SSD1306 [9]，通過I2C協議與STM32通信。其VCC、GND引腳接電源板相應排針，SCL和SDA分別接STM32單片機的PA11、PA12。OLED在本設計中用于簡要顯示溫濕度以及人體體溫。

2.1.4 燈光控制電路設計

燈光控制電路由可控硅模塊和繼電器模塊構成。可控硅模塊選用高性價比的AC-3S模塊，支持3.3 V或5 V供電，本設計采用5 V供電。AC-3S可控硅模塊的輸入端口L和N分別接220 V輸入的火線和零線，輸出端口L和N分別接繼電器的公共端（COM）和燈泡（220 V 100 W）的零線，PWM端口接STM32單片機的PA0引腳。STM32單片機通過調節PA0引腳輸出PWM波的占空比去改變可控硅模塊輸出交流電壓的大小，從而達到調光的目的。繼電器模塊采用5 V直流供電，其5 V和GND端分別接電源板相應排針，信號觸發端（IN）接STM32單片機PA6引腳，常開端（NO）接照明燈的火線。PA6引腳為高電平時常開端和公共端處于連接狀態，反之常開端和公共端斷開連接。燈光控制電路接線如圖4所示。

2.1.5 HC-05藍牙模塊電路設計

HC-05是主從一體的藍牙模塊，支持藍牙2.0版本，可實現10米距離通信[10]。其有AT指令設置模式以及透傳模式兩種模式，在透傳模式下可選擇主（Master）、從（Slave）、回環（Loop back）三種工作角色。HC-05與STM32之間采用串口通信方式進行數據傳輸。HC-05模塊的原理圖以及與STM32的接線關系分別如圖5、圖6所示。本設計使用HC-05模塊的默認配置，HC-05工作在從機狀態（Slave），可被手機搜索，實現與手機的無線通信。

2.1.6 LD3320語音識別模塊電路設計

LD3320語音識別模塊（SPI通信版本）具有自動語音識別（ASR）的功能。其基于非特定人語音識別技術，不需要使用者進行特殊的錄音訓練，可識別用戶提前編輯好的關鍵詞[11]。另外，最多可識別50個關鍵詞，在1米以內識別率可達85%，支持5 V或3.3 V供電。LD3320語音識別模塊通過SPI協議和單片機通信，其5 V、GND、RST、CS、IRQ、WR、SCK、MI、MO引腳分別接到電源板的5 V排針、GND排針、STM32單片機的PB11引腳、PB12引腳、PB9引腳、PA8引腳、PB13引腳、PB14引腳、PB15引腳。

2.1.7 GY-906-BCC紅外測溫模塊電路設計

GY-906-BCC紅外測溫模塊是MLX90614系列模塊之一，利用紅外測溫的原理測量被測物體的溫度，在本設計中用于測量人體體溫。其部分使用參數如下：溫度測量范圍為-70～382.2 ℃，使用環境溫度范圍為-40～125 ℃，在室溫下溫度分辨度為0.01 ℃，測溫距離為10 cm，供電電壓范圍是3～5 V。GY-906-BCC模塊采用單獨焊接電源板供電，可通過SMBus協議與STM32單片機進行數據傳輸，SMBus協議與I2C相同，其中的SCL（串行時鐘線）和SDA（串行數據線）分別連接到STM32單片機的PB6和PB7引腳。

2.1.8 HC-SR501人體紅外感應模塊電路設計

HC-SR501示意圖如圖7所示，HC-SR501是一款基于紅外線技術的自動控制模塊，可實現人體感應，感應范圍為7米以內、小于120度錐角。模塊有兩種觸發方式（可通過跳線方式進行選擇）：1）不可重復觸發方式，感應到人體活動時，其2號引腳會輸出高電平，延時一段時間后，2號引腳輸出將自動從高電平變為低電平；2）可重復觸發方式，即在感應到人體活動時，2號引腳輸出高電平，在其延時時間范圍內，如果有人體仍在其感應范圍內活動，其2號引腳將持續輸出高電平，直至檢測到人體最后一次活動（人體離開或人體不再活動），延時一定時間后，2號引腳將輸出低電平。本設計延時時間通過旋鈕1設置為0.5 s，觸發方式選擇可重復觸發方式。HC-SR501的1號和3號引腳分別接電源板的5 V和GND排針，2號引腳接STM32單片機PB5引腳。

2.1.9 DHT11溫濕度傳感器電路設計

DHT11傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包含一個NTC測溫元件和一個電容式感濕元件，可同時實現溫度和濕度測量[12]。溫度測量范圍：-20～60 ℃，測量誤差：±2 ℃；相對濕度測量范圍：5%～95%，測量誤差：±5%，滿足用戶的正常需求。DHT11模塊有3個引腳，供電電壓引腳（VCC）和GND引腳接電源板相應排針，其數字信號（DATA）引腳接STM32單片機的PA15引腳。

2.1.10 按鍵電路設計

按鍵在本設計中主要用于觸發外部中斷，進而使STM32單片機執行相關程序，其電路如圖8所示。

2.2 前端系統軟件設計

前端系統的軟件編程平臺為Keil μVision5，編程語言為C語言，利用STM32F103官方固件庫進行開發，主程序流程圖如圖9所示。前端系統軟件設計分為兩大部分：一是照明燈控制單元的程序，二是生活信息采集單元的程序。

2.2.1 照明燈控制單元的程序設計

STM32單片機通過PA6引腳控制繼電器模塊實現照明燈的開關，STM32單片機的PA6輸出高電平時，照明燈點亮，反之輸出低電平時，照明燈熄滅。

LD3320語音識別模塊檢測函數流程圖如圖10所示，其識別口令如表2所示。識別到開燈及關燈的口令后，控制繼電器打開或關閉照明燈，識別到切換模式的語音口令后，改變全局變量M從而執行不同的程序實現模式選擇，識別到定時照明的相關口令后通過啟動定時器4實現定時照明。

STM32單片機通過檢測HC-SR501和光敏電阻模塊輸出引腳的高低電平實現根據環境光線和人體活動短暫開啟照明燈，在照明燈關閉時（PA6引腳輸出低電平），當周圍環境較暗低于光敏電阻模塊設定的閾值并且有人體在HC-SR501識別范圍內活動，STM32單片機會檢測到PA5和PB5引腳都為高電平，進而短暫的打開照明燈30秒。

當按下PB1引腳的開關按鍵，會觸發PB1的IO口中斷，在中斷程序中改變照明燈的狀態，并且強制停止定時照明。

手機端控制命令通過手機藍牙發送給HC-05藍牙模塊，手機發送控制命令時，燈光亮度數據以字符'T'開頭，字符'＼0'結尾，開關燈的命令發送字符'D'。藍牙模塊再通過串口1發送給STM32單片機，STM32單片機接收到數據后，會觸發串口1的接收中斷，在接收中斷服務程序中對數據進行判斷，接收到'D'后，改變照明燈的狀態，強制停止定時照明。接收到'T'開頭的數據后，根據燈光亮度數據改變PA0引腳輸出PWM波的占空比，從而改變燈光的亮度。

2.2.2 生活信息采集單元程序設計

生活信息的采集由PB0引腳的按鍵控制，在正常工作時，系統只測量溫濕度，在需要時可以按下按鍵，系統會切換到測量人體體溫的狀態，當PB0引腳的按鍵按下后會觸發IO中斷，在其中斷服務程序中對全局變量K取反。K等于0時STM32單片機通過DHT11模塊對周圍環境的溫濕度進行測量，K不等于0時其通過GY-906-BCC模塊對人體體溫進行測量，測量的數據會通過OLED屏幕顯示，并通過藍牙模塊發送給手機。STM32單片機發送生活信息數據時，溫度數據、濕度數據、人體體溫數據分別以字符'w'、's'、't'開頭，后面緊跟測量到的數據，并以字符'＼0'作為測量數據的結束符，當手機接收到不同字符開頭的數據后，會加以區分，做出不同的處理。

3 手機端軟件設計

手機軟件主要實現以下功能：一是接收單片機發送來的生活信息數據并進行圖形化顯示，二是獲取和發送照明燈控制命令。手機軟件的開發是基于MIT APP Inventor設計的，使用了多個APP Inventor組件，包括藍牙客戶端組件、計時器組件、標簽組件、畫布組件以及圖像精靈組件等。

3.1 生活信息接收及顯示的實現

環境溫濕度信息有文字顯示和儀表顯示兩種方式。文字顯示通過不斷更新相應標簽組件的數據實現。儀表顯示通過畫布組件和圖像精靈組件實現，在畫布組件和圖像精靈組件中分別上傳準備好的表盤和表針圖片，通過圖像精靈組件旋轉表針圖片到相應的角度，從而達到指示溫濕度的作用。人體體溫只通過標簽組件進行文字顯示。

計時器組件不斷的計時，每30毫秒調用藍牙客戶端接收一次數據，接收到的數據后，對不同字符開頭的數據做以下處理：接收到'w'開頭的數據后，更新顯示溫度數值的標簽以及溫度儀表表針的角度，接收到's'開頭數據后，更新顯示濕度數值的標簽以及濕度儀表表針的角度，接收到't'開頭的數據后，更新顯示人體體溫數值的標簽。

3.2 照明燈控制命令的獲取及發送的實現

燈光亮度數據的獲取是通過滑動條組件實現，當用戶滑動滑塊時，通過獲取滑塊的位置，可獲得用戶需要的燈光亮度數據。手機把獲取到的數據通過藍牙組件按照前文所述格式發送出去從而實現燈光亮度數據的發送。當用戶每點擊一下“開關”按鈕，手機就會發送一個字符'D'，從而實現開關燈命令的獲取及發送。

4 系統性能測試

4.1 前端軟硬件的運行測試

開啟前端系統電源并把照明燈供電插頭插入220 V交流插座，約1 s后前端系統正常運行，照明燈處于關閉狀態，OLED屏幕上實時顯示溫濕度的數據，藍牙模塊的指示燈處于快速閃爍狀態，在和手機藍牙連接后進入雙閃狀態，當按下STM32單片機PB0引腳的按鍵后OLED屏幕顯示內容變為人體體溫，再次按下后，顯示內容變為環境溫濕度數據。

為驗證其可靠性，前端系統處于人體體溫測量狀態時，測試了20個人的體溫，其最大誤差不超過0.3 ℃，在容許誤差范圍內，前端系統處于測量環境溫濕度狀態時，系統實測溫濕度與天氣預報網公布的氣象數據相近，誤差可忽略不計，表明其可靠性較好。OLED顯示效果如圖11所示。

因為測試是在夜晚進行，有人經過時，照明燈會短暫開啟，經計時發現，開啟時間與理論值30 s最大相差±2 s，發出語音口令“模式二”后，即使有人經過，照明燈仍處于熄滅狀態，當發出“開燈”和“關燈”的語音口令后，照明燈會立刻開啟和關閉，按下PB1引腳的按鍵后照明燈的狀態會立刻翻轉。發出定時照明的相關口令后會進入定時照明狀態，其實際定時時間如表3所示。經實際測試，前端系統工作良好，運行狀態穩定。

4.2 手機軟件的運行測試

打開手機軟件后，點擊藍牙選擇按鈕，進入藍牙選擇界面，選擇"HC-05"并等待3 s后，連接成功并自動返回到主界面，此時藍牙選擇按鈕下的藍牙狀態標簽已經從"Not connected"變為"the connected is successful"。手機軟件實際運行界面如圖12所示。

滑動燈光亮度滑塊，滑動條上方的燈光亮度數值標簽和照明燈的亮度都會發2EXZm/fSseUCR0ZVrKkabZP+TMtS6ahRRBWFjx3l3Vw=生相應的變化，點擊“開關”按鈕后會立刻改變照明燈的狀態。前端系統處于人體體溫測量狀態時，大約在1 s左右手機軟件的人體體溫數值標簽更新一次，前端系統處于測量溫濕度狀態時，通過人為的改變周圍環境溫濕度，同樣在大約1 s手機軟件的溫濕度數值標簽和儀表表針角度會發生一次相應的變化，并把手機軟件顯示的測量數據與OLED顯示的測量數據對比，發現完全一致，經實際測試，手機軟件運良好。

5 結 論

本文設計了一款多功能智慧照明系統。前端系統由STM32單片機和各類傳感器組成，后端手機軟件是一款基于APP Inventor開發的藍牙軟件。該多功能智慧照明系統前端系統工作穩定，照明燈亮度調節迅速平穩，語音口令、環境光線和人體活動的識別準確，溫濕度以及人體體溫測量可靠；后端手機軟件可以獲取和發送用戶需要的燈光亮度數據以及照明燈開關命令，并且實現了對溫濕度、人體體溫測量數據的接收和可視化顯示。該系統彌補了市面上的照明燈功能單一，難以適應不同群體及場合的不足，為智慧照明系統開發提供了一種新的借鑒思路。后續開發中，將基于物聯網技術研究多個智慧照明系統的綜合管理方案，開發智能終端控制軟件，實現整區域照明系統的精準控制。

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作者簡介：房峰昌（2002—），男，漢族，山東濟寧人，本科在讀，研究方向：電子線路設計、智能信息處理；通訊作者：鄒國鋒（1984—），男，漢族，山東泰安人，副教授，博士，研究方向：智能控制技術、信息處理與智能系統。