原标题：基于WiFi和移动终端的智能照明控制系统设计方案

基于ARM单片机STM32F103ZET6的智能照明控制系统设计方案

一、项目概述

本智能照明控制系统旨在通过集成多种传感器和通信模块，实现对照明设备的智能化控制。系统能够根据环境光照强度、人体活动情况以及远程控制指令，自动调节灯光的亮度、开关状态，从而达到节能、舒适和便捷的使用效果。系统以ARM单片机STM32F103ZET6为核心处理器，结合DS1302时钟模块、OLED12864液晶显示模块、BH1750FVI数字光照传感器模块、HC-SR501人体红外模块以及ESP8266 WIFI模块，构建一个功能完善、易于扩展的智能照明控制系统。

二、优选元器件型号及其作用

1. ARM单片机STM32F103ZET6

型号选择理由：
STM32F103ZET6是意法半导体公司推出的一款高性能、低功耗的32位微控制器芯片，基于ARM Cortex-M3内核。它拥有丰富的外设资源和强大的处理能力，非常适合用于嵌入式系统的开发。在本智能照明控制系统中，STM32F103ZET6将作为核心处理器，负责接收传感器数据、执行控制算法、与通信模块交互以及驱动显示模块等工作。

功能描述：

• 内核：ARM Cortex-M3 32位RISC CPU，最高主频72MHz，提供强大的计算能力。

• 存储器：512KB Flash存储器，64KB SRAM存储器，满足程序存储和数据处理的需求。

• 时钟：内部RC振荡器和外部晶振，最高可达72MHz，确保系统稳定运行。

• 通信接口：支持USB2.0全速接口、CAN总线接口、USART串行接口、SPI串行接口、I2C串行接口、SDIO接口等，便于与其他模块进行通信。

• 外设：集成12位ADC模数转换器、12位DAC数模转换器、PWM输出、定时器、看门狗、外部中断等，满足多样化的应用需求。

电路框图中的位置：
STM32F103ZET6将作为系统的核心处理器，与各个传感器模块、通信模块和显示模块相连，实现数据的采集、处理和控制信号的输出。

2. DS1302时钟模块

型号选择理由：
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内部含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。它通过简单的串行接口与单片机进行通信，具有低功耗、高精度和易于使用的特点。在本系统中，DS1302将用于提供准确的时间信息，以便实现定时控制、日志记录等功能。

功能描述：

• 实时时钟/日历：提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可以自动调整。

• 通信接口：采用3线SPI接口，与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信。

• 低功耗：保持数据和时钟信息时功率小于1mW，适合电池供电的应用场景。

• 双电源供应：支持主电源和备份电源供应，确保时钟信息的准确性。

电路框图中的位置：
DS1302时钟模块将通过SPI接口与STM32F103ZET6相连，为系统提供准确的时间信息。

3. OLED12864液晶显示模块

型号选择理由：
OLED12864液晶显示模块是一种高分辨率、低功耗的显示设备，具有自发光、对比度高、视角宽等优点。它采用128*64点阵显示，能够清晰地展示各种文字和图形信息。在本系统中，OLED12864将用于显示当前时间、光照强度、人体活动状态以及系统状态等信息。

功能描述：

• 显示类型：STN型，透反射/正性显示。

• 点阵格式：128*64点阵，满足多样化的显示需求。

• 驱动方式：1/64 DUTY 1/9 BIAS，确保显示效果稳定。

• 背光：LED背光，提供清晰的显示效果。

• 控制器：集成KS0108或兼容控制器，简化驱动电路的设计。

• 数据总线：支持8位并口/6800方式通信，与单片机连接方便。

电路框图中的位置：
OLED12864液晶显示模块将通过数据总线与STM32F103ZET6相连，用于显示系统的各种状态信息。

4. BH1750FVI数字光照传感器模块

型号选择理由：
BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。它支持I2C BUS接口，输出对应亮度的数字值，具有高精度、低功耗和易于使用的特点。在本系统中，BH1750FVI将用于检测环境光照强度，以便根据光照情况自动调节灯光的亮度。

功能描述：

• 接口：支持I2C BUS接口，便于与单片机进行通信。

• 输出：输出对应亮度的数字值，便于单片机进行处理。

• 精度：高分辨率，能够探测较大范围的光强度变化（1lx-65535lx）。

• 低功耗：适合电池供电的应用场景。

• 受红外线影响小：确保光照检测的准确性。

电路框图中的位置：
BH1750FVI数字光照传感器模块将通过I2C接口与STM32F103ZET6相连，为系统提供环境光照强度信息。

5. HC-SR501人体红外模块

型号选择理由：
HC-SR501是一种基于红外线技术的自动控制模块，常用于检测人体的红外辐射变化。它能在检测到人体活动时输出高电平信号，当人体离开检测范围一段时间后，输出恢复为低电平。该传感器具有灵敏度高、可靠性强、低功耗等优点，非常适合用于安防、照明控制等领域。

功能描述：

• 工作电压：DC 4.5V - 20V，适应范围广。

• 静态电流：<50μA，功耗低。

• 电平输出：高3.3V/低0V，便于单片机进行处理。

• 触发方式：支持L不可重复触发/H可重复触发，满足不同的应用需求。

• 延时时间：5s - 5min（可调），便于实现定时控制。

• 感应角度：<120°锥角，确保检测范围准确。

• 感应距离：7m - 12m（可调），适应不同的应用场景。

电路框图中的位置：
HC-SR501人体红外模块将通过GPIO引脚与STM32F103ZET6相连，用于检测人体活动情况。

6. ESP8266 WIFI模块

型号选择理由：
ESP8266是由Espressif Systems开发的一款低成本、低功耗的系统级芯片（SoC），集成了完整的WiFi网络功能和TCP/IP协议栈。它支持802.11 b/g/n协议，可以在2.4GHz频段下进行通信，具有穿透性好、传输距离远的特点。同时，ESP8266还支持WPA/WPA2安全模式，保证了网络通信的安全性。在本系统中，ESP8266将用于实现远程控制和数据传输功能。

功能描述：

• 处理器：采用Tensilica L106超低功耗32位微处理器，主频支持80MHz和160MHz。

• WiFi功能：支持802.11 b/g/n协议，可以在2.4GHz频段下进行通信。

• 安全模式：支持WPA/WPA2安全模式，确保网络通信的安全性。

• 低功耗：待机模式下耗电仅为微安级别，适合电池供电的应用场景。

• 低成本：价格亲民，适合大规模应用于物联网产品中。

• 高集成度：集成了TCP/IP协议栈和WiFi功能，无需额外的外部芯片。

• 易于编程：支持多种编程语言，如C语言、Lua等，且提供了开源的SDK和丰富的API。

电路框图中的位置：
ESP8266 WIFI模块将通过串口与STM32F103ZET6相连，实现远程控制和数据传输功能。

三、系统设计方案

1. 系统总体架构

本智能照明控制系统采用模块化设计思想，将各个功能模块通过标准接口与核心处理器STM32F103ZET6相连。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

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|   STM32F103ZET6 |

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		|

		| SPI

		v

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|   DS1302时钟模块 |

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		|

		| I2C

		v

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| BH1750FVI光照传感器 |

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		|

		| GPIO

		v

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| HC-SR501人体红外模块 |

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		|

		| UART

		v

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| ESP8266 WIFI模块  |

+-----------------+

		|

		| 数据总线

		v

+-----------------+

| OLED12864液晶显示模块 |

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2. 各模块功能描述

• STM32F103ZET6：作为系统的核心处理器，负责接收传感器数据、执行控制算法、与通信模块交互以及驱动显示模块等工作。

• DS1302时钟模块：为系统提供准确的时间信息，以便实现定时控制、日志记录等功能。

• OLED12864液晶显示模块：用于显示当前时间、光照强度、人体活动状态以及系统状态等信息。

• BH1750FVI光照传感器：检测环境光照强度，以便根据光照情况自动调节灯光的亮度。

• HC-SR501人体红外模块：检测人体活动情况，实现自动开关灯光的功能。

• ESP8266 WIFI模块：实现远程控制和数据传输功能，用户可以通过手机应用或语音助手随时随地控制家中的照明系统。

3. 系统工作流程

（1）初始化阶段：系统上电后，STM32F103ZET6首先进行初始化操作，包括配置时钟、初始化GPIO引脚、配置通信接口等。
（2）数据采集阶段：STM32F103ZET6通过SPI接口读取DS1302时钟模块的时间信息，通过I2C接口读取BH1750FVI光照传感器的光照强度数据，通过GPIO引脚读取HC-SR501人体红外模块的人体活动状态。
（3）数据处理阶段：STM32F103ZET6根据采集到的数据执行控制算法，判断是否需要调整灯光的亮度或开关状态。
（4）控制输出阶段：STM32F103ZET6通过GPIO引脚输出控制信号，驱动照明设备实现灯光的亮度调节或开关操作。
（5）显示阶段：STM32F103ZET6通过数据总线将当前时间、光照强度、人体活动状态以及系统状态等信息发送至OLED12864液晶显示模块进行显示。
（6）远程通信阶段：STM32F103ZET6通过UART接口与ESP8266 WIFI模块进行通信，实现远程控制和数据传输功能。用户可以通过手机应用或语音助手发送控制指令至ESP8266 WIFI模块，ESP8266 WIFI模块再将指令转发至STM32F103ZET6进行处理。

4. 控制算法设计

控制算法的设计是实现智能照明控制系统的关键。本系统将采用模糊控制算法，根据环境光照强度、人体活动情况以及时间信息等因素，自动调节灯光的亮度或开关状态。

（1）模糊控制器的设计：模糊控制器由模糊化接口、知识库、推理机和去模糊化接口四部分组成。模糊化接口将输入的精确量转换为模糊量；知识库包含模糊规则库和数据库，用于存储模糊规则和隶属度函数；推理机根据模糊规则进行推理运算；去模糊化接口将推理结果转换为精确量输出。
（2）输入变量的选择：选择环境光照强度、人体活动状态和时间信息作为模糊控制器的输入变量。环境光照强度通过BH1750FVI光照传感器获取；人体活动状态通过HC-SR501人体红外模块获取；时间信息通过DS1302时钟模块获取。
（3）输出变量的选择：选择灯光的亮度或开关状态作为模糊控制器的输出变量。输出变量通过GPIO引脚输出至照明设备进行控制。
（4）模糊规则的设计：根据实际应用需求设计模糊规则。例如，当环境光照强度较低且有人体活动时，灯光亮度应调高；当环境光照强度较高且无人体活动时，灯光应关闭等。

5. 硬件电路设计

（1）电源电路设计：系统采用DC 5V电源供电，通过稳压芯片将电源电压稳定在5V左右。为各个模块提供稳定的电源供应。
（2）时钟电路设计：DS1302时钟模块通过SPI接口与STM32F103ZET6相连，实现时间信息的读取和设置。
（3）光照传感器电路设计：BH1750FVI光照传感器通过I2C接口与STM32F103ZET6相连，实现光照强度数据的读取。
（4）人体红外传感器电路设计：HC-SR501人体红外模块通过GPIO引脚与STM32F103ZET6相连，实现人体活动状态的检测。
（5）WIFI模块电路设计：ESP8266 WIFI模块通过UART接口与STM32F103ZET6相连，实现远程控制和数据传输功能。
（6）显示模块电路设计：OLED12864液晶显示模块通过数据总线与STM32F103ZET6相连，实现系统状态信息的显示。

6. 软件程序设计

（1）主程序设计：主程序负责系统的初始化、数据采集、数据处理、控制输出和显示等功能。主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

开始

	|

	v

系统初始化

	|

	v

数据采集

	|

	v

数据处理

	|

	v

控制输出

	|

	v

显示

	|

	v

远程通信

	|

	v

结束

（2）子程序设计：根据系统需求设计各个子程序，如时钟读取子程序、光照强度读取子程序、人体活动检测子程序、WIFI通信子程序、显示子程序等。
（3）中断服务程序设计：根据系统需求设计中断服务程序，如定时器中断服务程序、外部中断服务程序等。

四、系统测试与优化

1. 系统测试

（1）功能测试：对系统的各个功能模块进行测试，确保它们能够正常工作。例如，测试时钟模块的准确性、光照传感器的精度、人体红外传感器的灵敏度等。
（2）性能测试：对系统的整体性能进行测试，包括响应时间、稳定性、功耗等。例如，测试系统从接收到控制指令到执行控制操作的时间、系统在长时间运行下的稳定性等。
（3）兼容性测试：测试系统与其他设备的兼容性，如手机应用、语音助手等。确保用户能够通过不同的设备对系统进行远程控制。

2. 系统优化

（1）算法优化：根据测试结果对控制算法进行优化，提高系统的控制精度和响应速度。
（2）硬件优化：根据测试结果对硬件电路进行优化，提高系统的稳定性和可靠性。例如，优化电源电路的设计、增加滤波电路等。
（3）软件优化：对软件程序进行优化，提高代码的执行效率和可维护性。例如，优化中断服务程序的设计、减少不必要的计算等。

五、总结与展望

本智能照明控制系统以ARM单片机STM32F103ZET6为核心处理器，结合DS1302时钟模块、OLED12864液晶显示模块、BH1750FVI数字光照传感器模块、HC-SR501人体红外模块以及ESP8266 WIFI模块，实现了一个功能完善、易于扩展的智能照明控制系统。系统能够根据环境光照强度、人体活动情况以及远程控制指令自动调节灯光的亮度、开关状态，达到节能、舒适和便捷的使用效果。

未来，随着物联网技术的不断发展，智能照明控制系统将更加智能化、人性化。例如，可以通过集成更多的传感器和通信模块实现更复杂的自动化场景；可以通过机器学习算法优化控制算法，提高系统的控制精度和响应速度；可以通过与智能家居系统的深度融合，实现更全面的智能化控制等。