作者 張凌燕1 祝朝坤1 魯猛2 1.鄭州工商學院 機械與電信工程學院(河南 鄭州 451400) 2.河南省簡能物聯網科技有限責任公司(河南 鄭州 450000)

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

摘要：基于STM32單片機和機智云平臺，設計了一款智能臺燈。在設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上，提出并設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

　　隨著現代物聯網技術的不斷發展，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，在現代社會生活中占有重要地位，當前市面上的多數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今市場，顯得格格不入，甚至落伍。

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

1 智能臺燈的設計框圖

　　該智能臺燈的設計主要分為硬件和軟件兩部分。硬件部分設計包括電源設計、STM32外圍電路以及相關的傳感器、WiFi模塊與STM32連接電路設計;軟件部分設計包括STM32單片機代碼編寫、機智云平臺提供的相關代碼的編寫以及Android手機APP的代碼編寫。系統的設計框圖如圖1所示。

　　由圖1可知，該智能臺燈能夠采用各類環境傳感器感知臺燈周邊環境，從而實現臺燈自動感知環境并選擇合適的光照強度來對周圍環境進行照明的功能;采用超聲波傳感器為臺燈設計了“坐姿檢測”的功能，當在臺燈前工作或者學習時坐姿不正確，則臺燈將會觸發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計了能夠使用手勢來控制臺燈亮滅的功能。以上設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 智能臺燈的硬件設計

　　本設計中使用ST公司的STM32F401Nucleo開發板為主控核心板，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計。該設計的整體電路如圖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(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協議棧和MCU。其特點是成本低、使用簡便、功能強大。本設計中采用該WiFi模塊和STM32的串口進行通信，將通過網絡采集到的數據，經過串行口發送給STM32單片機，進行進一步的處理。同時智能臺燈通過WiFi模塊接入云端，為遠程控制提供了可能。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射、接收和信號處理三個部分。工作時，超聲波發射器只需要在觸發端給一個至少10μs的高電平信號，它就會自動發送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習時要保持正確的坐姿，一旦用戶坐姿偏差太大，臺燈將會發出報警提醒聲，讓用戶培養良好的坐姿習慣。

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實時檢測到是否有人經過，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。當感應到有人經過它便會自動開燈，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。當該光電門被遮擋住的時候，會給STM32單片機發送一個數字電平信號，單片機接收到信號后，再進行進一步處理。單個光電傳感器的電路原理圖如圖4所示。

　　本設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以及亮度。當正向揮動手勢時，能夠打開臺燈，手勢揮動速度越快，臺燈打開就越亮;當反向揮動手勢時，能夠降低臺燈的亮度，當手勢揮動速度達到一定值時，臺燈將被關閉。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單片機進行數據交互，將其所計得的時間發送給STM32單片機并在數碼管和手機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。可以使手機APP頁面端實時更新數據提供可靠的時間參考依據。

　　通過以上模塊的協作，我們將各模塊收集的數據上傳至云端，與手機APP之間進行打通連接，讓臺燈擁有了“思想”，它能盡可能多地滿足人們的生活需求，提高人們的生活質量。智能臺燈的硬件實物圖如圖6所示。