基于STM8S103和W IFI的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧林杰，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著科技進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的概念一經(jīng)提出便迅速蔓延。從狹義上講，物聯(lián)網(wǎng)是指使用智能的手段獲取多個(gè)物體的信息如燈的狀態(tài)，并統(tǒng)一管理統(tǒng)一控制的網(wǎng)絡(luò)。因此智能家居照明系統(tǒng)也屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇。日常照明，裝飾照明等在我們的生活中扮演著重要的角色，隨著技術(shù)發(fā)展，智能照明技術(shù)日趨成熟，正逐漸取代傳統(tǒng)照明技術(shù)，成為一種趨勢(shì)［1］。

本文介紹一種智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過WIFI無線方式進(jìn)行信息傳輸，由STM8S103單片機(jī)作為核心控制器，通過Android手機(jī)終端進(jìn)行控制的方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)定位于普通家庭照明控制，具有開關(guān)和調(diào)光等基本功能以及擴(kuò)展功能，可以與其他基于WIFI的智能家居部分結(jié)合，組成智能家居系統(tǒng)，統(tǒng)一管理控制。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括WIFI燈節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、AP協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)和Android智能手機(jī)終端應(yīng)用設(shè)計(jì)，示意圖如圖1所示。系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成獨(dú)立的局域網(wǎng)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定［2］。燈節(jié)點(diǎn)上的WIFI模塊用作STA模式，AP協(xié)調(diào)器端的WIFI模塊用作AP模式，WIFI燈節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)由 AP協(xié)調(diào)器可接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)決定［3］。

圖1 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)具有如下功能:

①通過手機(jī)終端控制;

②可添加新燈，并進(jìn)行參數(shù)修改;

③可控制燈的開關(guān)、調(diào)光;

④每盞燈有控制密碼，首次對(duì)燈進(jìn)行控制時(shí)需要輸入控制密碼，密碼可修改;

⑤每盞燈有自己的名字，可以對(duì)其進(jìn)行修改;

⑥可對(duì)每盞燈進(jìn)行分組，統(tǒng)一控制，組名可以修改;

⑦每個(gè)燈有WIFI的密鑰、WIFI的SSID，可通過手機(jī)終端進(jìn)行修改;

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，Android智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)三部分，下面依次進(jìn)行介紹。

2 硬件設(shè)計(jì)

WIFI是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，不同的設(shè)備如個(gè)人電腦、手機(jī)、PDA終端等可通過WIFI方式連接，組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，WIFI是WLAN的重要組成部分［4］。照明燈等要通過WIFI進(jìn)行局域組網(wǎng)，需要連接WIFI模塊，本方案選用技術(shù)成熟的HF－A111 WIFI模塊設(shè)計(jì)，支持802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，可通過UART作為數(shù)據(jù)通信接口，支持工作在SAT/AP/AP+STA模式等，功能全面，開發(fā)簡(jiǎn)單。

STM8S103系列單片機(jī)是法國(guó)ST公司推出的一款性價(jià)比非常高的單片機(jī)，具有3級(jí)流水線哈佛結(jié)構(gòu)，具有8 K flash、1 K RAM、640字節(jié)的EEPROM，最多有27個(gè)外部中斷，3個(gè)定時(shí)器，UART、SPI、IIC通信接口等，與其他同價(jià)格的單片機(jī)比較，有豐富的系統(tǒng)資源，正在逐步占領(lǐng)單片機(jī)市場(chǎng)的份額，有廣闊的應(yīng)用前景［5］。

WIFI燈節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的部分，WIFI燈節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)基本功能的實(shí)現(xiàn)。WIFI燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。STM8S103作為核心控制器，通過UART與WIFI模塊連接，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)信息;調(diào)光模塊可以驅(qū)動(dòng)30W以下的LED燈，STM8S103產(chǎn)生PWM波，對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光控制。單片機(jī)和WIFI模塊工作在3.3 V電壓下，調(diào)光模塊電壓根據(jù)要驅(qū)動(dòng)的LED燈選擇，電源模塊為各部分提供安全范圍的電壓。

圖2 WIFI燈節(jié)點(diǎn)框圖

AP協(xié)調(diào)器作為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)連接WIFI燈節(jié)點(diǎn)和Android智能手機(jī)終端的橋梁，對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析處理，由于功能需要，起到類似服務(wù)器的作用。AP協(xié)調(diào)器需要儲(chǔ)存所有燈的信息，因此需要容量較大的EEPROM，STM8S103本身只有640字節(jié)EEPROM，需要擴(kuò)展。AP協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，其框圖如圖3所示。

圖3 AP協(xié)調(diào)器框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

每個(gè)WIFI燈節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID，需要具有打開關(guān)閉燈，調(diào)光的功能，同時(shí)需要存儲(chǔ)燈的信息。系統(tǒng)配置初始化后，等待WIFI模塊啟動(dòng)，大于60 s模塊依然沒有啟動(dòng)說明模塊可能損壞，需要檢查模塊;模塊啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)連接至AP協(xié)調(diào)器，大于60 s時(shí)未連接，LED閃爍提示檢查AP是否打開;連接至AP協(xié)調(diào)器時(shí)，節(jié)點(diǎn)開始正式工作;若接收到信息，對(duì)信息進(jìn)行分析，做出相應(yīng)反應(yīng)，并發(fā)送返回信息。WIFI燈節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 WIFI燈節(jié)點(diǎn)流程圖

AP協(xié)調(diào)器接收來自WIFI燈節(jié)點(diǎn)和Android智能手機(jī)終端的信息，起到信息處理和中轉(zhuǎn)功能。根據(jù)接收到的信息不同做出相應(yīng)的處理。AP協(xié)調(diào)器同時(shí)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)所有燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。圖5中，(a)圖為AP協(xié)調(diào)器主流程，(b)圖為信息處理流程圖。

圖5 AP協(xié)調(diào)器流程圖

圖6 Android智能手機(jī)應(yīng)用軟件界面

4 Android智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

Eclipse是一個(gè)源代碼開放的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)。就其本身而言，它只是一個(gè)框架和一組服務(wù)，用于通過插件組件構(gòu)建開發(fā)環(huán)境。Android SDK指的是Android專屬的軟件開發(fā)工具包。使用Eclipse進(jìn)行Android應(yīng)用開發(fā)需要給Eclipse裝ADT插件，這樣Eclipse就可以和Android SDK建立連接，可以在E－clipse中啟動(dòng)Android模擬器進(jìn)行程序調(diào)試等［6］。

Android智能手機(jī)終端應(yīng)用軟件即在Eclipse平臺(tái)上使用Android SDK開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，開發(fā)的應(yīng)用軟件如圖6所示(依次記為a、b、c、d)。圖6(a)為燈狀態(tài)欄，此欄顯示 WIFI燈節(jié)點(diǎn)列表，各燈名稱及狀態(tài)，燈亮起時(shí)小燈圖標(biāo)高亮，燈熄滅時(shí)小燈圖標(biāo)為暗灰色。圖6(a)中為1號(hào)燈(臥室)和2號(hào)燈(大廳)。單擊任意一盞燈彈出列表如圖6(b)所示，可對(duì)燈進(jìn)行打開、關(guān)閉、調(diào)光等相應(yīng)的操作。圖6(c)為信息管理欄，可以添加用戶，添加新燈，修改相應(yīng)信息等。圖6(d)其他操作欄用于開發(fā)測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種小型的智能照明系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，很適合用于家庭等小型場(chǎng)所。對(duì)辦公樓等大型場(chǎng)所，可以使用WIFI模塊WDS(無線分布式系統(tǒng))功能，多個(gè)AP互相連接，組成一個(gè)覆蓋范圍很廣的網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)組網(wǎng)穩(wěn)定，信息傳輸準(zhǔn)確，能達(dá)到很好的使用效果。但系統(tǒng)功能仍然不夠完善，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

［1］ 唐鵬光，付蔚.基于無線傳感網(wǎng)智能家居照明控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.世界電子元器件，2012，18(11)，52 －55.

［2］ (美)布瑞斯賓(Brisbin，S)，卡爾提(Carty，G)著，天宏工作室譯，自己動(dòng)手組建Wi－Fi網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.6.

［3］ Youngsu Cho，Myungin Ji.WiFi AP position estimation using contribution from heterogeneous mobile devices［C］.Position Location and Navigation Symposium(PLANS)，2012 IEEE/ION:562－567.

［4］ 王建國(guó)，郭寶億.基于ZigBee和WiFi相結(jié)合的樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.10，28(5):460 －465.

［5］ 潘永雄.STM8S系列單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

［6］ 江燕良，基于Android智能終端的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(8):129－132.