基于STM32的智能照明控制系统设计：MQTT通信与Web界面开发

一、项目概述

随着全球对能源效率和可持续发展的重视，智能照明系统因其显著降低能耗而受到广泛关注。本项目旨在设计一个智能照明控制系统，利用先进的传感器和控制技术，优化照明资源的使用，降低能源消耗，并提高用户的便利性。该系统能够根据环境变化自动调整灯光强度，并提供远程控制功能，适用于家庭、办公室和公共场所等多种应用场景。

项目目标

• 实现基于环境光照和人体存在的自动照明控制。

• 提供实时监测环境数据的功能。

• 支持远程管理和控制，提高用户的便利性。

技术栈关键词

• 硬件：STM32开发板、HC-SR501人体红外传感器、BH170光敏传感器、OLED显示模块

• 软件：嵌入式C语言、Web开发（HTML、CSS、JavaScript）、阿里云物联网平台

• 通信协议：MQTT、HTTP

二、系统架构

系统架构设计

本智能照明控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括传感器模块、控制单元和执行器，软件部分则包括嵌入式固件和Web平台。系统将各个模块有机结合，实现智能化的照明控制。

硬件组件

• STM32开发板：作为系统的核心控制单元，负责数据处理和控制逻辑。

• HC-SR501传感器：用于检测周围的人体运动情况，触发照明控制。

• BH170光敏传感器：用于测量环境光照强度，判断是否需要开启或调节灯光。

• OLED显示模块：用于实时显示环境数据（如温度、光照强度等）。

• 灯光控制模块：根据传感器数据控制LED灯的开启与关闭。

软件架构

• 嵌入式固件：在STM32上运行，负责传感器数据的采集、处理和灯光控制逻辑的实现。

• Web平台：提供用户界面，允许用户实时查看传感器数据、控制灯光，并进行远程管理。

架构图

三、环境搭建和注意事项

硬件环境搭建

1. 开发板准备：选择STM32F103C8T6或其他STM32系列开发板，并准备相应的开发环境。

2. 传感器连接：

   • HC-SR501：连接到STM32的GPIO引脚，负责读取运动信号。

   • BH170：通过I2C接口连接，负责读取环境光照强度。

   • OLED显示模块：同样通过I2C接口连接，用于显示数据。

3. 电源管理：确保整个系统的电源供给稳定，建议使用5V电源适配器。

软件环境搭建

1. 开发工具：使用Keil uVision或STM32CubeIDE作为嵌入式软件开发环境，安装必要的库文件（如HAL库）。

2. Web开发环境：使用Node.js搭建Web服务器，使用Express框架处理路由请求，前端使用HTML、CSS和JavaScript实现用户界面。

3. 物联网平台：注册阿里云物联网平台，创建设备，并获取相应的API Key和Secret。

注意事项

• 确保传感器的安装位置合理，能够覆盖需要控制的区域。

• 在进行无线通信时，确保网络环境稳定，以保证数据传输的可靠性。

• 定期检查传感器和执行器的工作状态，确保系统运行正常。

四、代码实现过程

在本节中，我们将详细介绍智能照明控制系统的代码实现过程。该过程分为多个模块，每个模块的功能、代码实现及其说明将一一列出。我们的系统主要包括以下硬件组件：STM32开发板、HC-SR501人体红外传感器、BH170光敏传感器和OLED显示模块。同时，软件部分包括嵌入式C语言和Web开发（HTML、CSS、JavaScript），并使用阿里云物联网平台进行远程数据交互，采用MQTT和HTTP协议进行通信。

1. 硬件连接与初始化

在代码之前，我们需要先确保所有硬件的连接正确。以下是硬件连接的基本说明：

• HC-SR501传感器：连接VCC到5V电源，GND接地，数据引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA0）。

• BH170光敏传感器：通过I2C接口连接。SDA接STM32的PB7，SCL接PB6。

• OLED显示模块：同样通过I2C接口连接，使用相同的SDA和SCL引脚。

• LED灯控制模块：可以通过PWM或GPIO控制LED灯的开关，连接到STM32的某个GPIO引脚（例如PA1）。

2. 数据采集模块

2.1 HC-SR501传感器

功能：检测人体移动，并返回一个高电平信号。

代码实现：

#include "stm32f10x.h"

// 定义HC-SR501引脚
#define PIR_PIN GPIO_Pin_0
#define PIR_GPIO GPIOA

void PIR_Init() {
    
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 启用GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置PIR引脚为输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIR_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(PIR_GPIO, &GPIO_InitStructure);
}

// 检测运动
int PIR_Read() {
    
    
    return GPIO_ReadInputDataBit(PIR_GPIO, PIR_PIN);
}

代码说明：

• PIR_Init()：初始化HC-SR501传感器的GPIO引脚为输入模式。

• PIR_Read()：读取PIR传感器的状态，返回1表示检测到运动，返回0表示未检测到运动。

2.2 BH170光敏传感器

功能：测量环境光照强度。

代码实现：

#include "i2c.h" // 假设有一个I2C库

#define BH170_ADDR 0x23 // BH170的I2C地址

void BH170_Init() {
    
    
    // 初始化I2C
    I2C_Init();
}

uint16_t BH170_ReadLight() {
    
    
    uint8_t data[2];
    
    // 通过I2C读取数据
    I2C_Read(BH170_ADDR, data, 2);
    
    // 将读取到的数据转换为光照强度值
    return (data[0] << 8) | data[1];
}

代码说明：

• BH170_Init()：初始化I2C接口。

• BH170_ReadLight()：通过I2C读取光照数据，并将两个字节合并为一个16位的光照强度值。

3. OLED显示模块

功能：显示传感器数据，如运动状态和光照强度。

代码实现：

#include "oled.h" // 假设有一个OLED库

void OLED_Init() {
    
    
    // 初始化OLED显示模块
    OLED_InitDisplay();
}

void OLED_DisplayData(int motionDetected, uint16_t lightIntensity) {
    
    
    OLED_Clear();
    OLED_SetCursor(0, 0);
    OLED_Print("Motion: %s", motionDetected ? "Detected" : "Not Detected");
    OLED_SetCursor(0, 1);
    OLED_Print("Light: %d lx", lightIntensity);
}

代码说明：

• OLED_Init()：初始化OLED显示模块。

• OLED_DisplayData()：显示运动状态和光照强度数据。

4. 智能控制模块

功能：根据传感器数据控制灯光的开关。

代码实现：

void LED_Init() {
    
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 启用GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置LED引脚为输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_GPIO, &GPIO_InitStructure);
}

void LED_On() {
    
    
    GPIO_SetBits(LED_GPIO, LED_PIN); // 开启LED
}

void LED_Off() {
    
    
    GPIO_ResetBits(LED_GPIO, LED_PIN); // 关闭LED
}

void Control_Lighting(int motionDetected, uint16_t lightIntensity) {
    
    
    // 假设阈值为400lx，灯光控制逻辑
    if (motionDetected) {
    
    
        if (lightIntensity < 400) {
    
    
            LED_On(); // 亮灯
        } else {
    
    
            LED_Off(); // 关灯
        }
    } else {
    
    
        LED_Off(); // 无人时关灯
    }
}

代码说明：

• LED_Init()：初始化LED控制引脚为推挽输出模式。

• LED_On()和LED_Off()：分别用于打开和关闭LED灯。

• Control_Lighting()：根据运动检测和光照强度控制LED的状态。

5. 系统主循环

功能：整合所有模块，实现主控制逻辑。

代码实现：

int main(void) {
    
    
    // 系统初始化
    SystemInit();
    LED_Init();
    PIR_Init();
    BH170_Init();
    OLED_Init();

    while (1) {
    
    
        // 读取传感器数据
        int motionDetected = PIR_Read();
        uint16_t lightIntensity = BH170_ReadLight();

        // 控制灯光
        Control_Lighting(motionDetected, lightIntensity);

        // 更新OLED显示
        OLED_DisplayData(motionDetected, lightIntensity);

        // 添加延时以避免频繁读取
        Delay(1000); // 延时1秒
    }
}

代码说明：

• main()函数初始化所有模块，然后在无限循环中读取传感器数据，控制灯光，并更新OLED显示。每次循环后添加延时，以避免过于频繁的操作。

6. Web平台开发

Web平台用于实现用户与系统的交互，包括实时监控和远程控制功能。以下是Web开发部分的实现。

6.1 Web服务器搭建

我们使用Node.js和Express框架搭建Web服务器，提供API以与STM32进行数据交互。

代码实现：

const express = require('express');
const bodyParser = require('body-parser');
const mqtt = require('mqtt');
const app = express();
const port = 3000;

app.use(bodyParser.json());

// 连接MQTT Broker
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.hivemq.com');

client.on('connect', () => {
    
    
    console.log('Connected to MQTT Broker');
});

// 接收来自STM32的传感器数据
client.on('message', (topic, message) => {
    
    
    // 处理接收到的消息
    console.log(`Received message: ${
      
      message}`);
});

// HTTP API，供前端调用
app.post('/api/control', (req, res) => {
    
    
    const {
    
     action } = req.body;
    client.publish('lighting/control', action);
    res.send(`Action ${
      
      action} sent to lighting control.`);
});

app.listen(port, () => {
    
    
    console.log(`Server running at http://localhost:${
      
      port}`);
});

代码说明：

• 使用express框架创建一个简单的Web服务器。

• 通过mqtt库连接到MQTT Broker。

• 定义一个POST API /api/control，用于接收来自前端的控制指令并发布到MQTT主题。

6.2 前端页面

前端使用HTML、CSS和JavaScript构建用户界面，允许用户查看传感器状态和控制灯光。

HTML示例：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>智能照明控制系统</title>
    <link rel="stylesheet" href="styles.css">
    <script src="script.js" defer></script>
</head>
<body>
    <div class="container">
        <h1>智能照明控制系统</h1>
        <div class="sensor-data">
            <h2>传感器状态</h2>
            <p id="motion-status">运动状态: <span id="motion-value">未知</span></p>
            <p id="light-intensity">光照强度: <span id="light-value">未知</span> lx</p>
        </div>
        <div class="control-panel">
            <h2>灯光控制</h2>
            <button onclick="sendControl('ON')">开启灯光</button>
            <button onclick="sendControl('OFF')">关闭灯光</button>
        </div>
    </div>
</body>
</html>

CSS示例（styles.css）：

body {
    
    
    font-family: Arial, sans-serif;
    background-color: #f4f4f4;
    color: #333;
}

.container {
    
    
    max-width: 600px;
    margin: 0 auto;
    padding: 20px;
    background: white;
    border-radius: 5px;
    box-shadow: 0 0 10px rgba(0, 0, 0, 0.1);
}

h1, h2 {
    
    
    text-align: center;
}

.sensor-data {
    
    
    margin-bottom: 20px;
}

.control-panel {
    
    
    text-align: center;
}

JavaScript示例（script.js）：

const motionStatus = document.getElementById('motion-value');
const lightIntensity = document.getElementById('light-value');

function updateSensorData(motionDetected, lightIntensityValue) {
    
    
    motionStatus.innerText = motionDetected ? '检测到' : '未检测到';
    lightIntensity.innerText = lightIntensityValue;
}

function sendControl(action) {
    
    
    fetch('/api/control', {
    
    
        method: 'POST',
        headers: {
    
    
            'Content-Type': 'application/json'
        },
        body: JSON.stringify({
    
     action: action })
    })
    .then(response => response.text())
    .then(data => {
    
    
        console.log(data);
    })
    .catch(error => {
    
    
        console.error('Error:', error);
    });
}

// 示例：模拟更新传感器数据
setInterval(() => {
    
    
    // 假设从MQTT获取数据并更新前端
    // updateSensorData(motionDetected, lightIntensityValue);
}, 5000);

代码说明：

• HTML：定义了一个简洁的用户界面，包括显示传感器状态和灯光控制按钮。

• CSS：为界面提供基本样式，使其更美观。

• JavaScript：实现了与后端的交互逻辑，通过fetch向后端发送控制指令，并更新界面显示的传感器状态。

7. 通信协议

在整个系统中，使用了MQTT和HTTP协议来实现数据的传输和控制。

7.1 MQTT协议

• 功能：MQTT是一个轻量级的消息发布/订阅协议，适合物联网应用。它适用于低带宽、高延时或不可靠的网络环境。

• 应用：在本项目中，STM32通过MQTT与Web服务器进行通信，实时上传传感器数据并接收控制指令。

• 实现：使用mqtt库连接到MQTT Broker并订阅/发布相关主题。

7.2 HTTP协议

• 功能：HTTP是用于万维网的数据传输协议，适合请求/应答模式的通信。

• 应用：在本项目中，用户通过Web界面发送HTTP POST请求来控制灯光的开关。

• 实现：使用Express框架创建HTTP API，接收来自前端的控制请求并通过MQTT发送指令。