基于GD32智能人体感应灯的控制设计.pdf

第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.09.025基于 GD32 智能人体感应灯的控制设计蒋帅帅，周志峰（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）摘要 针对室内家居灯光的控制方法，结合人体感应、光强度检测、物联网、自动控制技术，分析了室内灯光的智能控制原理和实现方法，研究了基于入侵检测装置的人体移动动作的捕获、分析方法，提出了基于单片机的人体感应智能灯控制系统的设计思路，开发了系统硬件装置和相应软件。以国产 GD32 单片机为核心，采用反射式光电开关、人体红外传感器、光照度采集电路、WiFi 模组等，实现了人数信息的获取和远程监控、室内光照的检测、照明灯具的无线自动调控，设计了一种性能稳定的智能灯光控制系统，具有一定的实用价值。关键词 单片机；人体感应；物联网；灯光控制；中图分类号 TP273；TM923 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0117-04引用格式：蒋帅帅,周志峰.基于 GD32 智能人体感应灯的控制设计 J.农业装备与车辆工程,2023,61(9):117-120.Control design of intelligent human body induction lamp based on GD32JIANG Shuaishuai,ZHOU Zhifeng（School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract Aiming at the control method of indoor home lighting,combining human body induction technology,light intensity detection technology,Internet of Things technology,and automatic control technology,the intelligent control principle and realization method of indoor lighting were analyzed,and the movement of human body based on intrusion detection devices was studied.The method for capturing and analyzing human movements based on intrusion detection devices was studied,and the design idea of the human body induction smart light control system based on MCU was put forward,the hardware device and corresponding software of the system were developed on this basis.This design was based on the domestic GD32 MCU as the core,using reflective photoelectric switches,human infrared sensors,illuminance acquisition circuits,WiFi modules,etc.,to achieve the acquisition and remote monitoring of the number of people information,the detection of indoor lighting,and the wireless automatic control of lighting fixtures.A smart lighting control system with stable performance was designed,which had certain practical value.Key words MCU;human body sensing;Internet of Things;lighting control0 引言随着城市不断扩容和美化，公共用电急剧增加，导致用电负荷激增，能源紧缺已成为世界面临的严峻问题，而中国经济持续多年的高速发展让能源问题日益突出1。虽然我国能源总储量不低，但人均储量少，单位产值能耗是发达国家的 310 倍2。我国对能源的需求急剧增长，能源供需矛盾日益显著，已经成为制约国民经济发展的重要因素 3。提高电灯用电效率，设计简单智能便捷的方法成为首要考虑的问题。如今自动感应灯多用于走廊等公共场所，对用电更多的家庭室内电灯却很少有类似控制系统，因此本文对室内电灯智能感应控制方法进行了研究，设计一种能解决现有问题的方案，可以有效地对房间照明灯具进行智能控制。1 系统设计基于单片机 GD32F130 的智能灯光控制系统，具有人体感应、手机 APP 远程控制和根据环境自动调节亮度的功能。整个系统分为：单片机核心、人体动作感应系统、光照检测电路、WiFi通信模块、灯光控制电路等。系统安装在房门上，通过 2 个反射式红外光电开关传感器检测并判断人体进出房间的动作，记录房间内人数，若房间内有人就打开电灯；通过亮度检测电路检测室内光照强度，选择关闭电灯或是自动调节电灯亮度。本系统加入物联网技术，通过手机 APP 可实现对房间灯光设备的远程控制，有人员进出时发送当前房间人数信息到手机 APP 上。在便利日常生活的同时实现对能源的有效节约，可对房间人数进行检测，同时保留传统机械开关，符合人性化设计。系统结构如图 1 所示。收稿日期：2022-08-01118农业装备与车辆工程 2023 年2 主要硬件电路设计2.1 单片机主控兆 易 创 新 科 技 的 GD32F130C8T6，是 基 于ARM Cortex-M3 内核的 32 位通用微控制器，供电电压为 2.63.6 V，内核供电电压为 1.2 V，I/O 口可承受 5 V 电平，内嵌实时时钟和 2 个看门狗，具有掉电复位、上电复位及电压监测功能。芯片主频108 MHz，8 K 的 SRAM，最高主频下的处理性能可达 110 DMIPS。考虑芯片价格和国外芯片供应问题，优先选择国产芯片。2.2 人体动作感应模块2.2.1 人体红外模块HC-SR501 是基于红外线技术的自动控制模块，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。它配以 LHI778 探头和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关4。将 HC-SR501 的信号输出引脚连接至 GD32 单片机的 PA7 引脚，通过读取该引脚电平状态即可感知是否有人存在。2.2.2 动作感知模块反射式红外线光电开关利用物体对被调制的红外光束反射检测有无被检物体，当被检测物体经过检测区域时，红外光电开关的输出状态就会翻转，以达到自动检测目的。本系统采用 PNP 常开型的反射式光电开关，输出端默认高电平，连接至单片机 EXTI 引脚 PA5、PA6，当引脚电平发生变化时，单片机产生中断事件进入中断服务函数。2.2.3 系统接口电路和硬件安装2 个反射式红外线光电开关需要并排垂直安装，当有移动物体经过时，开关先后触发，根据先后顺序可以判断出物体移动方向。HC-SR501 感应范围宽，可安装在2个反射式红外线光电开关之间，判断接近目标是否是人体即可。这 3 个传感器的状态都通过 GPIO 口获取。红外感应模块系统接口电路如图 2 所示。2.3 室光强度感应电路利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值经 LM358 运放电路进行电压跟随处理，降低信号阻抗，通过10 k可调电阻调节采集灵敏度。单片机通过 ADC 采集电压跟随器的输出电压获得光照强度值。室光强度感应电路如图 3 所示。3 系统软件设计系统程序包含多个子系统，各子系统配合可实现房间人数状态的远程监控、室内光照采集、灯光的自行调控、远程功能控制。读取人体动作感应装置状态，进行移动人体捕捉、记录房间人数。将获取的光照强度信息和人数信息通过 WiFi 传输到物联网云平台，同时根据光照强度和房间有人无人状态进行灯光的控制和 PID 自动调节。主控制程序还包含系统时钟初始化，对系统底层的初始化还有各个功能模块的初始化。图 4 为系统主控制程序流程图。3.1 人体动作感应程序设计人体动作感应通过热释电人体红外传感器和两个并排安装的反射式红外光电开关实现。热释电人体红外传感器安放在两个光电开关之间组成人体动作感应装置，人体动作感应装置示意图如图 5 所示。系统通过该组合装置的触发状态判断触发对象图 1 系统结构图Fig.1 System structure diagram室光检测电路人体动作感应模块灯光控制电路WiFi通信模块OneNET 物联网平台手机 APPGD32F130C8T6主控制器图 2 红外感应模块系统接口电路Fig.2 Infrared sensor module system interface circuitVCC 5 V321GNDP4PB0HC_SR501P3VCC 5 VR13R15PA53k1k反射式红外光电开关321GNDP4VCC 5 VR12R14PA63k1 k反射式红外光电开关321GND图 3 光敏电阻分压电路Fig.3 Photoresistor voltage divider circuitVOUT 3.3 VVCC 5 VIC1ALM358RP110kR1555165500k光敏采集电路GND+-A+1324GNDPA1119第 61 卷第 9 期的移动方向以及对象是否为人体。3.1.1 人体感应分析本系统通过热释电人体红外传感器 HC-SR501检测人体存在信号。人进入其感应范围时 HC-SR501 信号引脚输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。HC-SR501 信号引脚与 GD32单片机 PA7 引脚连接，直接读取 PA7 引脚状态即可判断是否有人存在。软件通过配置 GPIOA 寄存器初始化 PA7 引脚为弱下拉输入，无人体目标时读取 PA7 对应的输入寄存器为 0，有人体目标时为1。人体感应识别流程图如图 6 所示。3.1.2 逻辑分析的软件实现方法根据人体动作感应装置的触发分析，完整的进出门动作分别对应了 5 个状态，人体目标进入房间的状态顺序依次为：无人状态、进门动作 1、进门动作 2、进门动作 3、无人状态；人体目标离开房间的状态顺序依次为：无人状态、出门动作 1、出门动作 2、出门动作 3、无人状态。如果持续向一个方向移动，从开始的无人状态变为动作 1，动作 1 变为动作 2，动作 2 变为动作 3，动作 3 变为无人状态。状态顺序正确的话可以确定进出门动作完成，房间人数加 1 或减 1，执行流程如图 7 所示。当人体感应装置触发了中断系统会进入中断服务函数，进入中断服务函数后首先判断哪一个开关发生了触发，然后判断触发类型为上升沿还是下降沿，再根据上一时刻的动作状态来识别移动目标是继续向前还是后退，最后进行状态更新。3.2 灯光控制系统程序设计3.2.1 PID 自动调节算法通过 APP 设定好光强值，单片机 ADC 检测到实际光强，通过 PID 算法输出 PWM 信号来控制双向可控硅的导通,从而实现对光强的自动控制。由于对电灯的光照强度控制量是电流，电流和光照强度并不是直接相关的物理量，所以为了对灯光亮度进行闭环控制，让室光强度稳定在用户设定值，本系统采用 PID 自动调节算法进行灯光强度的调节。以 ADC 采集到的光照强度感应电路节点电压值 a蒋帅帅 等：基于 GD32 智能人体感应灯的控制设计图 4 系统主控制程序流程图Fig.4 Flow chart of the main control program of the system开始各模块功能初始化人体移动进出监控发送人数变化信息到手机光照强度采集灯光自动控制WiFi 传输房间人数更新否是是房间有人图 5 人体动作感应装置Fig.5 Human motion sensing device反射式红外光电开关热释电人体红外传感器反射式红外光电开关PA5PA7PA6图 6 人体感应识别流程图Fig.6 Flow chart of human body induction recognition开始是否读 PA7输入寄存器有人体目标返回无人体目标图 7 人体动作感应程序流程图Fig.7 Human motion sensing program flow chart开始返回动作是前进动作状态是进门状态状态是出门状态获取触发装置状态出门动作流程状态+1进门动作流程状态+1进门动作流程状态-1出门动作流程状态-1进门动作流程结束房间人数-1房间人数+1出门动作流程结束否否否否否是是是是是120农业装备与车辆工程 2023 年作为变化量，用户设定的光照强度等级作为期望值q，让灯光随着室光强度进行亮度调节，让室内光照强度能够稳定在用户设定的期望值。光照强度偏差计算公式 e(k)=a(k)-q(k)(1)PID 调节算法u kKe kKe iKe ke k1pidik0#=+-=ggggh6/(2)3.2.2 灯光控制模式本系统具有自动调光模式，也可以通过手机远程开关灯。关灯将切断灯光电源，关闭自动调光模式；远程开灯默认灯光亮度级别为最高，这时自动调光模式关闭；选择自动调光模式时系统将切换到灯光自动控制模式，该模式下当环境光照低于一个预设值，系统则进行 PID 自动调光。灯光控制系统程序流程如图 8 所示。3.3 WiFi 通信设计WiFi 模块采用的是国产乐鑫的 ESP8266 的模组，通过串口与单片机串口连接，该模组支持 TCP透传模式。上位机采用了物联网平台 OneNET 智能云与 ESP8266 无线连接，用来存储数据，监控终端使用手机 APP 设备云制作图形界面远程监测房间人数、房间亮度等信息，APP 也用来设置房间电灯的控制模式、手动控制开关灯、手动调节电灯亮度，如图 9 为手机 APP 操作界面。4 结语本设计以 GD32 单片机为核心，通过利用人体红外热释电传感器、反射式红外开关、光照采集电路、电灯驱动电路、WiFi 等模块，实现了对照明灯的自动控制。系统的硬件及软件设计简单实用，实验结果显示，该系统具有良好的稳定性。智能灯控制系统实现了对人员活动的感应，测出室内进出的人数，可根据室内人数信息和光线的强度来自动控制电灯开关和调节亮度，满足人们对照明的需求，同时达到节能的目的。参考文献1 赵晶.新能源富集地区弃风弃光限电问题日益突出我国能源消费转型迫在眉睫 J.广西电业,2015(09):85-86.2 王 庆 一.中 国 能 源 资 源 状 况 评 析(上)J.节 能 与 环 保,2008(05):10-12.3 李文华.新时期国家能源发展战略问题研究 D.天津:南开大学,2013.4 霍英,赖煜,张培炎.基于微信小程序的智慧路灯管控平台设计与实现 J.电脑知识与技术,2021,17(21):78-80.5 谢晓钟,陈香广.MQTT 协议接入 OneNET 物联网的应用 J.木工机床,2021(02):10-13,20.6 金妍,茅敏敏,徐丘雨,等.基于 NB-IoT 技术的智能 LED 灯杆监控系统的研制 J.应用科学学报,2021,39(02):241-249.7 郑红娜,冯波.基于 OneNet 平台的智慧教室分析 J.集成电路应用,2021,38(03):108-109.8 马 虹,石 梅.基 于 OneNet 的 智 能 窗 系 统 J.电 子 设 计 工程,2021,29(05):124-128,133.作者简介 蒋帅帅（1994-），男，硕士研究生，研究方向：信号处理、智能检测。通信作者 周志峰（1976-），男，博士，副教授、硕士生导师，研究方向：计算机测控技术。E-mail：图 9 手机 APP 操作界面Fig.9 Mobile APP operation interface图 8 灯光控制系统程序流程图Fig.8 Flow chart of the light control system program开始返回房间有人模式为自动光控室光强度达到设定值收到开灯指令收到关灯指令PID 算法全亮开灯改变电灯亮度关灯否否否否否是是是是是