基于STM32和機智云的智能臺燈的設(shè)計與實現(xiàn)　

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.河南省簡能物聯(lián)網(wǎng)科技有限責(zé)任公司(河南 鄭州 450000)

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

摘要：基于STM32單片機和機智云平臺，設(shè)計了一款智能臺燈。在設(shè)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(chǔ)上，提出并設(shè)計了一種更加自動化、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

　　隨著現(xiàn)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越普及，人們對一些家居物品的人性化、智能化設(shè)計要求也越來越高。而臺燈作為家庭主要照明工具之一，在現(xiàn)代社會生活中占有重要地位，當(dāng)前市面上的多數(shù)臺燈都還是僅僅能夠滿足普通照明需求，這讓其在對智能化的需求越來越高的當(dāng)今市場，顯得格格不入，甚至落伍。

　　我們通過對市場的調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，大家對于智能臺燈有如下需求：希望臺燈能夠通過外界環(huán)境以及時間自動調(diào)節(jié)打開時的亮度;例如在臺燈上集成時鐘和溫濕度傳感器等模塊，這樣一來，我們可以在工作學(xué)習(xí)之余，一抬眼就能看到時間和目前身邊的溫濕度、PM2.5等環(huán)境狀態(tài);同時也希望能夠用手機遠(yuǎn)程控制臺燈，使臺燈擁有多種工作模式;當(dāng)夜晚我們睡著之后，臺燈會自動慢慢熄滅，當(dāng)半夜起身上廁所時，臺燈會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(shù)據(jù)傳輸中介，開發(fā)設(shè)計了一款能夠滿足上述市場需求的智能臺燈。

1 智能臺燈的設(shè)計框圖

　　該智能臺燈的設(shè)計主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分設(shè)計包括電源設(shè)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(shè)計;軟件部分設(shè)計包括STM32單片機代碼編寫、機智云平臺提供的相關(guān)代碼的編寫以及Android手機APP的代碼編寫。系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。

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

2 智能臺燈的硬件設(shè)計

　　本設(shè)計中使用ST公司的STM32F401Nucleo開發(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時鐘芯片、光照強度傳感器等多種傳感器完成硬件部分的設(shè)計。該設(shè)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、板載天線等)的串口WiFi模塊，集成完整的TCP/IP協(xié)議棧和MCU。其特點是成本低、使用簡便、功能強大。本設(shè)計中采用該WiFi模塊和STM32的串口進(jìn)行通信，將通過網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串行口發(fā)送給STM32單片機，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時智能臺燈通過WiFi模塊接入云端，為遠(yuǎn)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部分。工作時，超聲波發(fā)射器只需要在觸發(fā)端給一個至少10μs的高電平信號，它就會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動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，我們會通過超聲波的測距功能來時刻提醒用戶在工作學(xué)習(xí)時要保持正確的坐姿，一旦用戶坐姿偏差太大，臺燈將會發(fā)出報警提醒聲，讓用戶培養(yǎng)良好的坐姿習(xí)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?qū)崟r檢測到是否有人經(jīng)過，如果有返回信號則臺燈自動開啟，能夠方便用戶第一時間使用并可以記錄入座時間，及時給予反饋信息提醒，同時有利于用戶的夜間使用。當(dāng)感應(yīng)到有人經(jīng)過它便會自動開燈，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說臺燈夜間有一個小夜燈模式，能夠讓用戶安心入睡，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引腳，分別是VCC、GND和信號輸出端。每個光電傳感器的信號輸出引腳分別連到STM32單片機的一個GPIO端口上。當(dāng)該光電門被遮擋住的時候，會給STM32單片機發(fā)送一個數(shù)字電平信號，單片機接收到信號后，再進(jìn)行進(jìn)一步處理。單個光電傳感器的電路原理圖如圖4所示。

　　本設(shè)計中采用四個光電探頭，配合STM32的定時器功能，編寫了一個簡單的算法，能夠檢測到兩種方向不同速率的手勢揮動，從而利用不同的手勢來控制臺燈的開關(guān)以及亮度。當(dāng)正向揮動手勢時，能夠打開臺燈，手勢揮動速度越快，臺燈打開就越亮;當(dāng)反向揮動手勢時，能夠降低臺燈的亮度，當(dāng)手勢揮動速度達(dá)到一定值時，臺燈將被關(guān)閉。這一功能為智能臺燈的日常使用，增添了些許樂趣。

2.5 時鐘顯示PCF8563模塊

　　時鐘顯示PCF8563模塊。PCF8563是一款低功耗CMOS實時時鐘日歷芯片。PCF8563芯片通過I2C方式與STM32單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將其所計得的時間發(fā)送給STM32單片機并在數(shù)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時時間提供了保障，同時能夠讓臺燈“認(rèn)識”時間，從而在夜晚起夜上廁所時以微弱的燈光打開照明，不會給人眼帶來強烈的灼刺感?？梢允故謾CAPP頁面端實時更新數(shù)據(jù)提供可靠的時間參考依據(jù)。

　　通過以上模塊的協(xié)作，我們將各模塊收集的數(shù)據(jù)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。智能臺燈的硬件實物圖如圖6所示。