基于单片机的楼宇智能照明系统(源码+万字报告+讲解)（支持资料参考_相关定制）

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摘    要

近年来现代化建设颇具成效。城市发展建设作为现代化建设的重要一角，不仅仅在城市定位、技术革新、降低能耗等方面努力争先， 也在文化建设方面大放异彩。而智能楼宇作为高质量生活不可或缺的一环，智能照明也随之变得格外重要，利用先进的科学技术，实现对照明的智能化、人性化成为大势所趋。

在研究了目前家智能楼宇照明系统的基础上，总结了过往传统照明所存在的不足之处，发现传统照明存在能耗大、成本高、使用寿命短等问题。为解决这一问题，翻阅了大量国内外相关文献， 设计一套基于STM32的楼宇照明控制系统，该系统选用STM32系列单片机为主控芯片，对光照强度、以及所处的环境是否有人来进行实时监测，以此来 决定此时是否需要开灯或者关灯。并且可以利用无线传输的方法，把硬件模块的数据实时发送到云平台，这样就能 实现在硬件模块和手机APP之间建立连接，成功完成数据传输。

本篇文章，首先在网络以及书店中查阅了大量的国内外相关研究文献，对楼宇照明控制系统的国内外历程和典 型案例做了简单的描述。然后经过对比分析、理论研究，确定了本次的设计目标，设计出操作方案，画出系统总体原理框图。紧接着，对所用到的重要元芯片、元器件的性能参数总结整理，并且结合各自的特性在平台上绘制了电 路原理图，保证其接线的准确性，确认上位机工作流程。完成对软件硬件进行联合测试，保证其正常运行，实现目标功能。

关键词：智能照明；STM32；无线传输

目录

摘    要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2国内外研究历程与发展趋势

第二章楼宇照明控制系统的设计方案

2.1设计目标

2.2系统原理框图

2.3系统硬件选择

第三章 楼宇照明控制系统的硬件设计

3.1系统总体电路设计

3.2主控芯片最小系统

3.3传感器电路的硬件设计

第四章 楼宇照明控制系统的软件设计

4.1系统的总体程序设计

4.2上位机工作流程

第五章 楼宇照明控制系统的联合调试

5.1硬件测试

5.2 软件测试

总结

参考文献

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

近年来，随着科技水平的不断发展与进步，人民群众的生活物质也水涨船高，思想意识也发生了翻天覆地的变 化，很多人已经不仅仅只是满足于物质生活，也开始对精神文化生活有了越来越高的要求，在日常生活中追求高效 性、便捷性、环保性的生活居住环境渐渐成为主流趋势。

照明系统作为与人民群众生产、生活关系最密不可分的信息系统之一,不管应用于大规模的商业、办公大厦或者 一般的民用住宅中,都顺应着人类的生活需求而越来越趋向于复杂化、个性化、智能化。但传统的灯光方法大多是需 要进行自动调节,而且以单一单调的灯光使用形式居多,无法适应人类日益个性、智慧、环保的灯光系统设计需求。

所以,随着人类社会对灯具的节能特性和科学管理以及便捷性、高效性等有了更多的需求,这也就导致了灯光控 制器在智能楼宇方面的地位,和之前一样不可同日而语。使用智能灯光管理系统将能使在智能环境和高效管理等方面 的优点体现的淋漓尽致,从而提高了楼宇的智能照明程度,而普通家庭的光照方式通常为在白天阳光升起日照充分的 地方关灯、在夜晚夜幕降临的地方执灯,，而如果可以采用楼宇智能照明控制系统后，使用者可以依据所在的不同场 合、不同时间段、以及家庭人数进行智能化照明，在需要时，系统可以依据传感器采集到的信息，智能化分析决   策，自动打开照明系统，还可以自动调节其亮度;与此同时，照明系统还可以充分利用太阳光照，来满足不同人群学 习、生活所需要的照明

最大限度节能和省钱，并且可以减少灯的使用来降低磨损，这样可以使灯具使用很多年。

但是，如何让照明可以同时满足于节能需求和环保需求，让两者可以并行不悖，这样看来，这是值得让我们来 认真思考，探究的课题。正是在这样多元化需求的背景下，智能照明才有大展身手的机会。我们可以依靠智能网  络，物联网技术，以及各种先进技术，来实现对照明系统优化，达到节能的要求，并且也可以来满足人们个性化， 多样化的智能照明系统需求。

本课题旨在利用物联网技术来实现智能照明控制系统，采用智能化分析，来系统性、整体性分析当前所处的环 境，分析人们个性化需求；并且采用无线控制系统等现代化对照明进行集中控制，还可以让人们身处异地也能对灯 光远程控制，在系统内设定好程序来实现自动控制，根据环境来智能分析来实现高效管理。

此外，智能照明系统的意义还有：一、节能减排。目前在国正处于新发展阶段，绿色是我们的新发展理念， 2030实现碳达峰，2060实现碳中和，在此艰巨的任务下，我们必须摒弃粗放式的发展模式，向高效节能方向转变变 得刻不容缓。智能照明系统正是依靠各种智能化的方式，还有高精的元器件，对目前所处的环境做出精准分析，这 种高效的控制方式，最大程度避免了人们不经意间对资源造成的浪费，为可持续发展做出贡献。二、延长灯具使用寿命：在上世纪，由于智能照明系统还未在楼宇照明中普及使用，而传统的照明系统存在这一个致命的缺点，那就 是灯具使用寿命短，需要经常更换灯具，这就造成了不必要的麻烦与开支。但是，随着智能照明系统的普及，这一 问题的到解决。其实早成传统灯具寿命短的问题无外乎有两点：一种是热辐射光源，它使热能转化为光能的能源， 效率低下、浪费资源；另一种是气体放电光源。这两点是光源损坏的重要原因。智能照明系统就对于这两点问题做 出针对性解决，很好的对电压电网的不稳定性做出控制。此外，智能照明系统还可以采用先进技术，最大限度地避 免了脉冲电流对光源的破坏。三、提高照明质量：以前人们都是用传统按压式的开关开控制灯光的亮灭，这样的开 关一个只能控制一个房间内的灯光，自智能照明诞生以来，传统开关就被替换，目前主流的是智能调光模块，这个 新型开关可以控制所有光，改善照明度均匀性。此外，传统灯具有很强的频闪效应，引起人们生理不适，有损身体 健康，而采用智能照明系统可以最大程度避免这种情况的发生。四、实现多样化照明效果：现代生活，人们对于个 性定制越来越热衷，智能照明系统便应用而生。 意在满足人们在不同时间段，不同场景，不同用途需要的多样化、 个性化照明效果。因此，智能照明系统采用相对应的预设置场景来控制调节灯光，达到了丰富的照明氛围，同时还 具有艺术效果。五、管理维护便捷：灯具的控制可以整体化，以模块为单元的控制系统，采用了智能自动化控制， 还有可以采用传统手动按压开关，并且是以智能化控制为主要方式，手动为辅助，采用模块式的优势是对于照明预 置场景，这些信息的设置于更改非常简便，而且现如今的照明灯具质量大幅度提升，使用寿命也随之大大提高，这 些优势都使得照明系统管理和设施的维修护理变得更加便捷，高效。

1.2国内外研究历程与发展趋势

国外历程及发展趋势：在一百多年前，美国伟大的物理学家爱迪生改良了白炽灯，在十九世纪九十年代，爱迪 生创办的公司生产出了全球首款白炽灯，并上市销售。这一伟大的发明使人类的生产生活方式发生转变，人们再也 不用根据太阳光运动的安排时间，可以随时随地享受光亮的生活，虽然现在有不少国家以及很多地区因为白炽灯的 能源利用效率低而不使用，但是它对人类的发展起到了无可比拟的作用，直接加速了人类现代化进程。在这之后， 电子技术的蓬勃发展，还有通过特殊技术对白炽灯进行技术改良，这种改良后的照明就是初代的智能照明技术。

二十世纪三十年代，荧光灯被研发出来，荧光灯的使用时间以及发光效率是白炽灯的好几倍；二十世纪七十年 代飞利浦在荧光灯中加入三色荧光粉，这样比较低的气压汞蒸气可以把大部分电能释放成紫外光，使荧光物质可以 发出能见的光，这样的转变使能源效率之比更加高，更加节约能源，但是缺点是会有汞污染以及照明的时候会有闪 烁；二十世纪八十年代末，飞利浦公司推出节能灯，电子镇流器的使用，把交流电变为直流电，从此照明进入了节 能以及电子化时代，节能灯的优势是体积小、照明的时候闪烁现象很少、效率高、使用时间长；二十世纪九十年  代，日本一家化学公司，把蓝色的LED的基础上研发出来了黄色的LED，自此进入了LED照明阶段。LED照明体积更  小，使用时间更长，最重要的是可以避免汞的污染，更加环保。

在进入二十一世纪以后，世界正式进入了智能信息时代，高科技人才越来越多，越来越多的实验数据转化为实 用成果，新的产品、新的技术、新的理念也层出不群，这也助推了智能照明的发展，使得朝着系统化、集约化、整 体化的趋势发展。无线网络技术发展也如日中天，并且在影响着各行各业的发展，对照明行业的影响尤其重大，重 塑了行业规则，改变了人们对传统照明的认知，在美国拉斯维加斯，全新的智能路灯不仅仅便民，它还具有颠覆传 统获取电能的方式，它除了能使用太阳能充电，还可以在路人行走的时候，在地面上放几块与路灯相匹配的踏板， 人们在上面走，就可以产生电力，把这些电力存在电池中使用；在荷兰的海牙市里面，当地的市政府与Eneco企业合 作，在沙滩上建起来智能化灯光柱，这些灯光柱上面安装着摄像头、环境检测器、噪音检测器等各类传感器，对于 交通，社会安全、居民高质量生活起到了很好的辅助作用。

国内历程及发展趋势：十九世纪四十年代，在我国上海路上建造产生了第一盏路灯，虽然这个灯只是煤油灯， 但是这种进步的发展的理念已经悄悄植入中国人的内心，从此也照明了夜晚回家人的前行路；再后来，一些外国人 从国外带来的煤气灯在租界内使用，煤气灯的亮度是煤油灯的好几倍；到了十九世纪七十年代，在轮船招商局码  头，建立起来属于中国的第一个根路灯，在这根路灯上由多盏弧光灯连接在一起，但是有一个缺点就是这个灯要人 为的开闸和关闸，较为麻烦。

进入二十世纪二十年代，被誉为“中国灯泡之父”胡西园，在他苦心孤诣的研究下，终于研制成功了我国的第 一个白炽灯，而且他还深谋远虑的提出有要创办属于我们自己的厂子，就这样他创办了我国的首家灯泡厂，在新中 国成立以后，我国全年灯泡产量达到千万级别，但是生产这些灯泡的配件还有设施都仰仗国外进口。随即，在民间 资本和有关政策的推动下，我国照明行业取得了一轮突飞猛进的发展；资本的注入使得行业焕发了新的活力；改革 开放以后，我国全方位开放发展，在市场经济的推动下，我国照明行业也迎来了高速发展的黄金期，灯泡生产企业 爆发式增长，年均灯泡产量也达到十几亿只；

进入二十一世纪，由于我国在照明行业起步较晚，刚开始的时候人们对于照明的需求仅仅是简简单单的把环境 照亮即可，也没有考虑过对人体的健康，其实早在二十世纪九十年代，美国就提出关于追求照明的绿色化，这一理 念也在世界其他地方引起反响。在二十一世纪初，由于照明行业的竞争，该行业的研究人员对于绿色照明这一理念 才有所认识。二零零五年，当时我国著名照明企业，三雄极光组织了健康用灯的活动，指出照明要更加的科学，要 有针对性，针对不同的用灯场景设计不同的灯光，把灯光的功能性已经灯光对人心理的影响都考虑在内，从而达到 和谐、环保、健康的照明。二零一四年，为了研究我国智能照明领域的发展情况，总结过往研究的经验，对未来该 如何更好分发展，把握发展趋势。在江苏省南京市，隆重召开了智能照明学术年会，会议主要讨论了我国传统灯具 有哪些不足之处，并且展示了在LED、OLED领域的最新研究成果，做了产品演示。应且还有如何研发使用新型材料、 新设备与其电子配件的适应性，讨论该如何重塑相关国家标准、检测技术规范、推广照明工程技术、智能灯具管理 等各项技术的新进展以及重点、热点问题。还指出现在LED照明行业的竞争越来越激烈，大浪淘沙，企业首先要更加 重视人才和技术的投入，掌握核心竞争力；其次，在产业结构调整的过程中应密切关注市场需求的变化，根据自身 特点，找准定位，在一些细分市场中找商机，从趋势上看，LED灯泡、灯管、MR16等替代光源将会在未来3-5年快速 发展，与此同时，各类室内灯具也将逐步采用LED光源，筒灯、平板灯、吸顶灯等室内灯具已陆续推开市场，未来会 有更多品种规格，室外路灯，医疗无影灯等等，应用也会逐步扩大；再次，单纯拼价格决不是企业长久生存之道， 产品质量需引起企业足够的重视。近几天，全国各地陆续爆出灯具检验不合格的消息，陈燕生呼吁应严格按照标准 生产产品，政府有关部门也应加强市场监督。

上海金茂大厦在建设初期就考虑到应用智能型照明控制系统；江苏省洪泽县在县城建设的时候就将人的“智” 充分融入，从而使物的“慧”充分展现，在县城内所有的主干道都使用智能调光路灯，该路灯的智慧之处体现在它 内部有几十个传感器连接，可以实时检测各种指标，对于减少交通违法，大大增强人们居住便捷度，还可以可以使 县城内部几乎被WiFi全覆盖，这个案例是我国首个大规模应用智慧照明系统，为其他城市树立了典范，对我国推进 现代化城市减少起到了很好的模范带头作用。智能照明系统作为智能化中不可或缺的一部分，在日常楼宇以及酒店 智能化中起到了举足轻重的地位。不断被人们所青睐。同时，各式各样的、富有艺术色彩的照明灯具更是成为装   饰、装修的点缀物品。与整屋设计理念相融合。现如今，电灯以及不仅仅是满足于人们日常照明需求，更为重要的 是，智能灯具可以给人们营造浪漫温馨，光彩夺目的氛围。现在随着照明行业快速的发展，世界各国的知名科技企 业都会涉足智能照明领域，如法国半导体公司PERFECT研发出来的灯光控制专用芯片等等先进技术，这些先进的技术 随着在外人才回流，企业之间的交流学习，直接推动了我国智能照明领域的发展。比如说有索博智能、瑞郎电子等 企业，这些企业早早就通过敏锐的洞察力，察觉出智能照明的行业前景，早早就进入到智能照明领域。

第二章楼宇照明控制系统的设计方案

2.1设计目标

本次设计的思路是：以STM32F103C8T6为主要控制芯片， 结合四线制光敏电阻传感器、HC-SR501人体红外传感 器、ESP8266 WiFi模块以及WS2812B 彩灯模块，并且设计手机APP终端控制，使其APP具有数据收集、数据处理、数 据发送等功能。能够实现检测室内有无人，光照是否充足，在无人且自然光充足时，可以自动关闭照明灯，在有人 到来且自然光照不足时，自动打开照明灯的功能。使得整体灯光亮度与光照强度有关，并且可以通过自动控制和手 动控制相结合的方式实现对室内照明的智能化控制。此外，可以通过APP实时显示光强输入，人体状态，控制灯光亮 度，还可以通过APP动态设定天黑阈值。

2.2系统原理框图

如下图2-2为系统总体原理框图。首先供电模块给其他模块提供稳定的电源，以STM32为主要控制芯片，与四线 制光敏电阻传感器、HC-SR501人体红外传感器、ESP8266 WiFi模块、WS2812B 彩灯模块以及控制系统相结合，这就是本课题最基本的系统原理框图。

2.3系统硬件选择

2.3.1主控芯片选择

STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3内核的单片机，针脚数为四十八，如图2-3-1所示，这个单片 机对于数据的运算能力还有数据处理能力都是非常高的，而且还有购买成本低、能耗也非常小等优势，是目前STM32 系列里面最出色的一个。设计本实验，必不可少的就是时钟芯片，它对于整个实验的作用非常大，如果采用气体单 片机还需要额外连接一个时钟芯片，但是如果采用STM32F103C8T6单片机，本身就会自带一个RTC时钟模块，这样就 可以减少实验步骤，节约实验成本，非常方便实用。所以这个芯片特别适合本实验的要求。如下表2-3-1为芯片主要   STM32F103C8T6芯片主要参数

图2-3-1    STM32F103C8T6实物图

2.3.2人体红外传感器选择

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，如下图2-3-2所示，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度 高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。如下

表2-3-2为主要电气参数。

表2-3-2    HC-SR501电气参数

HC-SR501有如下功能特点：1、智能化感应系统:人体能够释放的红外线，这时候如果在它所能够感应到的角度 范围内出现人体，他就会感应到，接下来它便会迅速输出高电平；反之，如果在它所感应的角度范围内，无法检测 到人体所释放的红外线，这是他不会马上输出低电平，而是在一会后输出低电平。2、可选用光敏系统来抑制:可在 感应器中设定为光敏状态,在自然光强或zai室内光照过强时都不会反应。3、可选择的高温补偿系列:在酷热夏天,当 环境中的温度会上升一个较大的温度,另外还有,当可测量距离的时间缩短,则高温补偿可以作为在一定区域内的的热 性能补偿。4、功耗特别小：在在静止状态下，所流过的电流比五十毫安还要小，所以对于只有普通干电池给予电能 的电子产品，使用HC-SR501再好不过了。5、输出端可以输出高电平：现在许多电路想要实现功能，必须得有高电平 信号，而这个输出端则可以输出高电平信号，方便对接。6、设置感应封锁时间：感应模块在每次有人进入感应角度 感应完成以后，也就是当电平从高变为低以后，此时若不想感应模块再次感应，那么就能设置一个“空窗时期”， 在这个时期内，感应器将没有办法感应到人体所释放的红外线。这个功能可以避免人为的或者是其他原因导致的感 应器一直在感应，是它可以间隔工作。7、 触发方式: 不可累加式触发,当感应器感应完成以后，此时会输出高电平 ，但是模块会设定一个延时，当延时时间也完成后，感应模块会主动把电平从高到低进行有效输出；可累加式触   发, 当感应器感应完成以后，此时高电平会经过输出口输出，但是如果此时延时时间还没有结束，并且感应角度内 检测到还有红外线释放，这时候高电平会一直保持输出，知道在感应角度内检测不到红外线释放，才可将电平从高 向低转换。

图2-3-2    HC-SR501人体红外传感器

2.3.3光敏电阻传感器选择

四线制光敏电阻传感器可用作灯光亮度测量,灯光亮度感应器和智能小车寻光模块。如下图2-3-3所示，本传感 器具有以下优点;1、采用了非常灵敏的光敏电阻感应器;2、宽电压比较器的输出信号没有杂质,波形完好,驱动力强 劲,达到15mA;3、 配自动调整电位仪,能调节检测的光源亮度;4、运行电压可以达到为3.3V-5V; 5、输出形式 ：DO  开关量输出(0 和 1)和 AO 模拟量输出(电压) ；6、设计的时候留有固定的螺栓孔，方便使用者快速安装；7、 小板 PCB 尺寸：长3.2厘米，宽1.4厘米。

模块使用说明：1、光敏电阻模块的感应装置非常先进，对自然光以及人造灯光都非常敏感，用来检测环境中的 光照强度非常合适。它也可以触发单片机模块,甚至是继电器模块等;2、当模块在附近照明强度达不到了所设定的最 高值或者最低值的过程中,则DO端会输出高电平,而模块在附近光照强度超过了所设定的最高值或者最低值的过程中, 则DO端会输出低电平而有效。

图2-3-3    四线制光敏电阻传感器

2.3.4 WiFi模块选择

WiFi我们所采用的是ESP8266，实物如下图2-3-4所示，这是一款功耗低、优势多、性价比高的UART-WiFi 透传 模块，在整个行业内它的封装尺寸都是首屈一指的，并且还采用了先进的低能耗技术，可以说从设计的开始就是专 为移动设备还有物联网技术的应用量身打造，可用WiFi无线网络把用户的物理设备连接在一起， 进行互联网或局域

网通信，实现联接网络功能。

ESP8266特性：

1、支持无线802.11 b/g/n 标准

2、支持丰富的Socket AT指令

3、支持UART/GPIO数据通信接口

4、支持灵活链路组智能联网功能

5、支持远程固件升级(OTA)

6、内部安装有三十二位的MCU，使得它可以被当成应用处理器使用

7、功耗特别低，可以用在仅有干电池供电的电路中使用

8、3.3V 单电源供电

图2-3-4 ESP8266实物

2.3.5彩灯模块选择

WS2812B是一个集控制电路与发光电路于一体的智能外控LED光源。实物如下图2-3-5所示，其外型与一个      5050LED灯珠相同，每个元件即为一个像素点。像素点内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，还 包含有高精度的内部振荡器和12V高压可编程定电流控制部分，有效保证了像素点光的颜色高度一致。

(1)WS2812B引脚功能如下表2-3-5-1所示：

表2-3-5-1    WS2812B引脚功能

(2)最大额定值，如下表2-3-5-2所示：

表2-3-5-2    最大额定值

(3)电气参数，如下表2-3-5-3所示：

表2-3-5-3    电气参数

(5)时序波形图

输入码型：

(6)连接方法

(8)LED 特性参数，如下表2-3-5-6所示：

表2-3-5-6    LED 特性参数

主要特点：

1、智能反接保护：在连接电源的时候，如果把电源接反，不会损坏IC。

2、LED点光源，它可以与IC控制电路，共同用一个电源。

3、在一个封装的组件中，包含有两样东西。一个是控制电路，另一个是RGB芯片，这两者同时存在，这两个东西共 同构成一个外面完全控制的像素点。

4、它可以确保线路的波形，在发生失真时、畸变时候不会累积到一起，造成特别坏的结果，这是因为有一个内置的 波形整修电路，把那些失真的，畸形的电路修改过来。这样在像素点接收到信号后，通过波形输出。

5、内部装有上电复位、掉电复位的电路

6、可以完成多种颜色的、高像素的色彩显示，每个像素点都可以利用三种最基本的原色来实现亮度显示。

7、只需要使用一根信号线，即可完成数据的接收，以及数据的解码

8、在空间中，在任何两个物体间，只要保证传输距离在不超过一定的距离，就不需要增加任何其他复杂的电路。

9、数据发送速度快

10、光的颜色高度一致，综合性价比高。

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