基于STM32和機(jī)智云的智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　

作者 張凌燕1 祝朝坤1 魯猛2 1.鄭州工商學(xué)院 機(jī)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(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(jī)和機(jī)智云平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款智能臺(tái)燈。在設(shè)計(jì)中融合了光電傳感器、光照強(qiáng)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(tái)燈普通照明功能的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種更加自動(dòng)化、智能化、人性化的臺(tái)燈。使臺(tái)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(duì)一些家居物品的人性化、智能化設(shè)計(jì)要求也越來越高。而臺(tái)燈作為家庭主要照明工具之一，在現(xiàn)代社會(huì)生活中占有重要地位，當(dāng)前市面上的多數(shù)臺(tái)燈都還是僅僅能夠滿足普通照明需求，這讓其在對(duì)智能化的需求越來越高的當(dāng)今市場(chǎng)，顯得格格不入，甚至落伍。

　　我們通過對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，大家對(duì)于智能臺(tái)燈有如下需求：希望臺(tái)燈能夠通過外界環(huán)境以及時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)打開時(shí)的亮度;例如在臺(tái)燈上集成時(shí)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(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(jī)遠(yuǎn)程控制臺(tái)燈，使臺(tái)燈擁有多種工作模式;當(dāng)夜晚我們睡著之后，臺(tái)燈會(huì)自動(dòng)慢慢熄滅，當(dāng)半夜起身上廁所時(shí)，臺(tái)燈會(huì)微微亮起等智能化要求。本文采用STM32系列單片機(jī)作為主控芯片、采用機(jī)智云作為云端數(shù)據(jù)傳輸中介，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款能夠滿足上述市場(chǎng)需求的智能臺(tái)燈。

1 智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)框圖

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

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

2 智能臺(tái)燈的硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)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(shí)鐘芯片、光照強(qiáng)度傳感器等多種傳感器完成硬件部分的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)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(diǎn)是成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)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(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時(shí)智能臺(tái)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(cè)距模塊一般有發(fā)射、接收和信號(hào)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(hào)，它就會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有返回的信號(hào)。用超聲波模塊主要用于糾正坐姿需要，我們會(huì)通過超聲波的測(cè)距功能來時(shí)刻提醒用戶在工作學(xué)習(xí)時(shí)要保持正確的坐姿，一旦用戶坐姿偏差太大，臺(tái)燈將會(huì)發(fā)出報(bào)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(shí)檢測(cè)到是否有人經(jīng)過，如果有返回信號(hào)則臺(tái)燈自動(dòng)開啟，能夠方便用戶第一時(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)有利于用戶的夜間使用。當(dāng)感應(yīng)到有人經(jīng)過它便會(huì)自動(dòng)開燈，方便夜間人們的生活，且不影響家人的正常休息。對(duì)于害怕黑夜的人來說臺(tái)燈夜間有一個(gè)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(gè)引腳，分別是VCC、GND和信號(hào)輸出端。每個(gè)光電傳感器的信號(hào)輸出引腳分別連到STM32單片機(jī)的一個(gè)GPIO端口上。當(dāng)該光電門被遮擋住的時(shí)候，會(huì)給STM32單片機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)字電平信號(hào)，單片機(jī)接收到信號(hào)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(shè)計(jì)中采用四個(gè)光電探頭，配合STM32的定時(shí)器功能，編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的算法，能夠檢測(cè)到兩種方向不同速率的手勢(shì)揮動(dòng)，從而利用不同的手勢(shì)來控制臺(tái)燈的開關(guān)以及亮度。當(dāng)正向揮動(dòng)手勢(shì)時(shí)，能夠打開臺(tái)燈，手勢(shì)揮動(dòng)速度越快，臺(tái)燈打開就越亮;當(dāng)反向揮動(dòng)手勢(shì)時(shí)，能夠降低臺(tái)燈的亮度，當(dāng)手勢(shì)揮動(dòng)速度達(dá)到一定值時(shí)，臺(tái)燈將被關(guān)閉。這一功能為智能臺(tái)燈的日常使用，增添了些許樂趣。

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I2C方式與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將其所計(jì)得的時(shí)間發(fā)送給STM32單片機(jī)并在數(shù)碼管和手機(jī)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(tái)燈“認(rèn)識(shí)”時(shí)間，從而在夜晚起夜上廁所時(shí)以微弱的燈光打開照明，不會(huì)給人眼帶來強(qiáng)烈的灼刺感?？梢允故謾C(jī)APP頁(yè)面端實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)提供可靠的時(shí)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(jī)APP之間進(jìn)行打通連接，讓臺(tái)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(tái)燈的硬件實(shí)物圖如圖6所示。