基于STM32和機智云的智能臺燈的設計與實(shí)現　

作者 張凌燕1 祝朝坤1 魯猛2 1.鄭州工商學(xué)院 機械與電信工程學(xué)院(河南 鄭州 451400) 2.河南省簡(jiǎn)能物聯(lián)網(wǎng)科技有限責任公司(河南 鄭州 450000)

張凌燕(1989-)，女，碩士，演究方向：嵌入式系統;祝朝坤， 男，碩士，研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

摘要：基于STM32單片機和機智云平臺，設計了一款智能臺燈。在設計中融合了光電傳感器、光照強度傳感器、溫濕度傳感器、WiFi通信模塊等一些常用的傳感器，在臺燈普通照明功能的基礎上，提出并設計了一種更加自動(dòng)化、智能化、人性化的臺燈。使臺燈能夠更加貼心，更能懂人所想。

0 引言

　　隨著(zhù)現代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，生活用品的智能化程度也越來(lái)越普及，人們對一些家居物品的人性化、智能化設計要求也越來(lái)越高。而臺燈作為家庭主要照明工具之一，在現代社會(huì )生活中占有重要地位，當前市面上的多數臺燈都還是僅僅能夠滿(mǎn)足普通照明需求，這讓其在對智能化的需求越來(lái)越高的當今市場(chǎng)，顯得格格不入，甚至落伍。

　　我們通過(guò)對市場(chǎng)的調查和了解發(fā)現，大家對于智能臺燈有如下需求：希望臺燈能夠通過(guò)外界環(huán)境以及時(shí)間自動(dòng)調節打開(kāi)時(shí)的亮度;例如在臺燈上集成時(shí)鐘和溫濕度傳感器等模塊，這樣一來(lái)，我們可以在工作學(xué)習之余，一抬眼就能看到時(shí)間和目前身邊的溫濕度、PM2.5等環(huán)境狀態(tài);同時(shí)也希望能夠用手機遠程控制臺燈，使臺燈擁有多種工作模式;當夜晚我們睡著(zhù)之后，臺燈會(huì )自動(dòng)慢慢熄滅，當半夜起身上廁所時(shí)，臺燈會(huì )微微亮起等智能化要求。本文采用STM32系列單片機作為主控芯片、采用機智云作為云端數據傳輸中介，開(kāi)發(fā)設計了一款能夠滿(mǎn)足上述市場(chǎng)需求的智能臺燈。

1 智能臺燈的設計框圖

　　該智能臺燈的設計主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分設計包括電源設計、STM32外圍電路以及相關(guān)的傳感器、WiFi模塊與STM32連接電路設計;軟件部分設計包括STM32單片機代碼編寫(xiě)、機智云平臺提供的相關(guān)代碼的編寫(xiě)以及Android手機APP的代碼編寫(xiě)。系統的設計框圖如圖1所示。

　　由圖1可知，該智能臺燈能夠采用各類(lèi)環(huán)境傳感器感知臺燈周邊環(huán)境，從而實(shí)現臺燈自動(dòng)感知環(huán)境并選擇合適的光照強度來(lái)對周?chē)h(huán)境進(jìn)行照明的功能;采用超聲波傳感器為臺燈設計了“坐姿檢測”的功能，當在臺燈前工作或者學(xué)習時(shí)坐姿不正確，則臺燈將會(huì )觸發(fā)報警并提示修正坐姿;同時(shí)也采用光電傳感器配合手勢算法設計了能夠使用手勢來(lái)控制臺燈亮滅的功能。以上設計使臺燈更加人性化、智能化，使日常的臺燈能夠滿(mǎn)足未來(lái)智能家居的要求。

2 智能臺燈的硬件設計

　　本設計中使用ST公司的STM32F401Nucleo開(kāi)發(fā)板為主控核心板，并配合WiFi模塊、紅外光電傳感器、超聲波傳感器、人體熱釋電紅外傳感器、PCF8563時(shí)鐘芯片、光照強度傳感器等多種傳感器完成硬件部分的設計。該設計的整體電路如圖2所示。

2.1 WiFi模塊

　　為了解決硬件與軟件的通信，選用了ESP8266 WiFi模塊。ESP8266模塊是深圳安信可公司基于ESP8266芯片研發(fā)(增加必要外圍電路、串口flash、板載天線(xiàn)等)的串口WiFi模塊，集成完整的TCP/IP協(xié)議棧和MCU。其特點(diǎn)是成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強大。本設計中采用該WiFi模塊和STM32的串口進(jìn)行通信，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )采集到的數據，經(jīng)過(guò)串行口發(fā)送給STM32單片機，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時(shí)智能臺燈通過(guò)WiFi模塊接入云端，為遠程控制提供了可能。其電路原理圖如圖3所示。

2.2 HC-SRO4超聲波模塊

　　HC-SRO4超聲波模塊。超聲波測距模塊一般有發(fā)射、接收和信號處理三個(gè)部分。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器只需要在觸發(fā)端給一個(gè)至少10μs的高電平信號，它就會(huì )自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有返回的信號。用超聲波模塊主要用于糾正坐姿需要，我們會(huì )通過(guò)超聲波的測距功能來(lái)時(shí)刻提醒用戶(hù)在工作學(xué)習時(shí)要保持正確的坐姿，一旦用戶(hù)坐姿偏差太大，臺燈將會(huì )發(fā)出報警提醒聲，讓用戶(hù)培養良好的坐姿習慣。

2.3 人體熱釋電探頭

　　人體熱釋電探頭。用人體熱釋電模塊能夠實(shí)時(shí)檢測到是否有人經(jīng)過(guò)，如果有返回信號則臺燈自動(dòng)開(kāi)啟，能夠方便用戶(hù)第一時(shí)間使用并可以記錄入座時(shí)間，及時(shí)給予反饋信息提醒，同時(shí)有利于用戶(hù)的夜間使用。當感應到有人經(jīng)過(guò)它便會(huì )自動(dòng)開(kāi)燈，方便夜間人們的生活，且不影響家人的正常休息。對于害怕黑夜的人來(lái)說(shuō)臺燈夜間有一個(gè)小夜燈模式，能夠讓用戶(hù)安心入睡，保障更好的睡眠質(zhì)量。

2.4 光電傳感器

　　光電傳感器。光電傳感器模塊有三個(gè)引腳，分別是VCC、GND和信號輸出端。每個(gè)光電傳感器的信號輸出引腳分別連到STM32單片機的一個(gè)GPIO端口上。當該光電門(mén)被遮擋住的時(shí)候，會(huì )給STM32單片機發(fā)送一個(gè)數字電平信號，單片機接收到信號后，再進(jìn)行進(jìn)一步處理。單個(gè)光電傳感器的電路原理圖如圖4所示。

　　本設計中采用四個(gè)光電探頭，配合STM32的定時(shí)器功能，編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的算法，能夠檢測到兩種方向不同速率的手勢揮動(dòng)，從而利用不同的手勢來(lái)控制臺燈的開(kāi)關(guān)以及亮度。當正向揮動(dòng)手勢時(shí)，能夠打開(kāi)臺燈，手勢揮動(dòng)速度越快，臺燈打開(kāi)就越亮;當反向揮動(dòng)手勢時(shí)，能夠降低臺燈的亮度，當手勢揮動(dòng)速度達到一定值時(shí)，臺燈將被關(guān)閉。這一功能為智能臺燈的日常使用，增添了些許樂(lè )趣。

2.5 時(shí)鐘顯示PCF8563模塊

　　時(shí)鐘顯示PCF8563模塊。PCF8563是一款低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片。PCF8563芯片通過(guò)I2C方式與STM32單片機進(jìn)行數據交互，將其所計得的時(shí)間發(fā)送給STM32單片機并在數碼管和手機APP端同步顯示。其電路原理圖如圖5所示。

　　該模塊為我們獲取實(shí)時(shí)時(shí)間提供了保障，同時(shí)能夠讓臺燈“認識”時(shí)間，從而在夜晚起夜上廁所時(shí)以微弱的燈光打開(kāi)照明，不會(huì )給人眼帶來(lái)強烈的灼刺感?？梢允故謾CAPP頁(yè)面端實(shí)時(shí)更新數據提供可靠的時(shí)間參考依據。

　　通過(guò)以上模塊的協(xié)作，我們將各模塊收集的數據上傳至云端，與手機APP之間進(jìn)行打通連接，讓臺燈擁有了“思想”，它能盡可能多地滿(mǎn)足人們的生活需求，提高人們的生活質(zhì)量。智能臺燈的硬件實(shí)物圖如圖6所示。