摘要：基於STM32單片機和機智雲硬件開發平臺，設計了一款智能檯燈。在設計中融合了光電傳感器、光照強度傳感器、溫溼度傳感器、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，提出並設計了一種更加自動化、智能化、人性化的檯燈。使檯燈能夠更加貼心，更能懂人所想。
0 引言
隨着現代物聯網技術的不斷髮展，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。而檯燈作爲家庭主要照明工具之一，在現代社會生活中佔有重要地位，當前市面上的多數檯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，大家對於智能檯燈有如下需求：希望檯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溼度傳感器等模塊，這樣一來，我們可以在工作學習之餘，一擡眼就能看到時間和目前身邊的溫溼度、PM2.5等環境狀態;同時也希望能夠用手機遠程控制檯燈，使檯燈擁有多種工作模式;當夜晚我們睡着之後，檯燈會自動慢慢熄滅，當半夜起身上廁所時，檯燈會微微亮起等智能化要求。本文采用STM32系列單片機作爲主控芯片、採用機智雲硬件開發平臺作爲雲端數據傳輸中介，開發設計了一款能夠滿足上述市場需求的智能檯燈。
1 智能檯燈的設計框圖
該智能檯燈的設計主要分爲硬件和軟件兩部分。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、機智雲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，該智能檯燈能夠採用各類環境傳感器感知檯燈周邊環境，從而實現檯燈自動感知環境並選擇合適的光照強度來對周圍環境進行照明的功能;採用超聲波傳感器爲檯燈設計了“坐姿檢測”的功能，當在臺燈前工作或者學習時坐姿不正確，則檯燈將會觸發報警並提示修正坐姿;同時也採用光電傳感器配合手勢算法設計了能夠使用手勢來控制檯燈亮滅的功能。以上設計使檯燈更加人性化、智能化，使日常的檯燈能夠滿足未來智能家居的要求。
2 智能檯燈的硬件設計
本設計中使用ST公司的STM32F401Nucleo開發板爲主控核心板，並配合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
爲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於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。本設計中採用該WiFi模塊和STM32的串口進行通信，將通過網絡採集到的數據，經過串行口發送給STM32單片機，進行進一步的處理。同時智能檯燈通過WiFi模塊接入雲端，爲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於糾正坐姿需要，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，檯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，如果有返回信號則檯燈自動開啓，能夠方便用戶第一時間使用並可以記錄入座時間，及時給予反饋信息提醒，同時有利於用戶的夜間使用。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。對於害怕黑夜的人來說檯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，單片機接收到信號後，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。
本設計中採用四個光電探頭，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檯燈的開關以及亮度。當正向揮動手勢時，能夠打開臺燈，手勢揮動速度越快，檯燈打開就越亮;當反向揮動手勢時，能夠降低檯燈的亮度，當手勢揮動速度達到一定值時，檯燈將被關閉。這一功能爲智能檯燈的日常使用，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實時時鐘日曆芯片。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單片機並在數碼管和手機APP端同步顯示。其電路原理圖如圖5所示。
該模塊爲我們獲取實時時間提供了保障，同時能夠讓檯燈“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雲端，與手機APP之間進行打通連接，讓檯燈擁有了“思想”，它能儘可能多地滿足人們的生活需求，提高人們的生活質量。智能檯燈的硬件實物圖如圖6所示。
3 軟件設計
在Android studio軟件開發平臺上編寫了名爲“智能檯燈”的手機APP。通過機智雲硬件開發平臺，實現檯燈的遠程監控功能。
3.1 機智雲iot開發平臺
機智雲，廣州機智雲物聯網科技有限公司旗下品牌。主要爲開發者提供物聯網設備的自助開發工具、後臺技術支持服務、設備遠程操控管理、數據存儲分析、第三方數據整合、硬件社交化等技術服務，也爲智能硬件廠家提供一站式物聯網開發和運維服務，將智能硬件產品開發週期最快縮短到半天，快速實現智能化。因此在我們的智能檯燈上，接入機智雲進行開發，實現了檯燈的遠程控制、自動化和智能化。
3.2 APP主界面
APP主界面。該應用主頁面上有多種燈光模式選擇功能，同時具有進度條調節燈光亮度、顯示當前溫溼度、光強度、時間定時開關、語音開關以及工作數據顯示等，方便用戶的更多生活需求。其界面如圖7所示。
3.3 APP時鐘控制界面
時鐘控制界面能夠實現遠程在線實時調節智能檯燈上的數字時鐘，並能夠自動校準智能檯燈的時間。爲智能檯燈更好的“認識”時間打下基礎。其界面如圖8所示。
3.4 燈光模式選擇界面
燈光模式選擇界面，能夠通過機智云云端，在線實時改變智能檯燈的工作狀態，根據硬件設計，有三種模式可供選擇，分別爲“工作模式”、“夜間模式”以及“外出模式”。其界面如圖9所示。
4 設計中的創新點
從檯燈的設計角度，本設計在以往的普通LED檯燈的設計基礎上加入了許多新穎的創新理念和設計元素：
1、用手機APP實現對臺燈進行遠程監控，使用方便並可以實時瞭解家庭環境的最新情況;
2、自動調光、語音調光、手動調光給日常燈光場景提供了多種選擇;
3、手勢調節光照亮度，通過掃描手速的快慢與方向來改變光亮;
4、對於坐姿的糾正有一定幫助，可以幫助使用者培養良好的坐姿習慣，促進身體健康;
5、久坐提醒、定時提醒、小夜燈等功能能夠爲健康生活提供便利和保障。
科學技術是第一生產力，創新是科技不斷進步的力量源泉。創新要更好地服務於人類的生活，提高人們的生活水平。智能檯燈的多處創新點，希望能夠爲未來的設計者提供更好的創新設計思路。
5 結論
現在社會上的檯燈應用比較廣泛，包括家庭、學習、工作各個領域。而且檯燈的樣式也琳琅滿目。但很少有一款真正的物聯網、智能化概念的檯燈。因此，本文中的智能檯燈將在很多方面刷新人們對智能檯燈概念上的認識，該檯燈設計方案的提出，爲我們的生活帶來了更多的舒適、智能與人性化。產品的最終目標就是爲人服務，人性化、智能化的設計終將得到社會的認可，本文中提出的智能檯燈設計思維，希望能夠爲未來物聯網時代的智能小家電的發展，做出一個新的探索與嘗試。
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本文來源於《電子產品世界》2018年第5期第59頁。
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。
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