基于WiFi和單片機的教學樓智能照明系統(tǒng)的設(shè)計

劉瑞妮

（西安翻譯學院工程技術(shù)學院，陜西西安710105）

目前我國高校照明系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的人工管理方式，采用的是手動開關(guān)，使用不方便，而且長明燈現(xiàn)象非常普遍，極大地浪費了資源，不符合當前的節(jié)能要求。鑒于以上傳統(tǒng)照明的諸多缺點，智能照明控制成為當前的熱點問題[1-7]。

當前關(guān)于智能照明控制主要集中在Zigbee技術(shù)[1-2]和單片機技術(shù)[4-7]兩種。Zigbee技術(shù)具有功耗低、組網(wǎng)能力強等優(yōu)點[8]，但產(chǎn)品開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，產(chǎn)品成本高等缺點限制了它的廣泛應用；而基于單片機的智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，方便擴充其他功能，但是一般只能實現(xiàn)單機控制，不能實現(xiàn)遠程控制。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，WiFi技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展，已應用于環(huán)境監(jiān)測[9]、污染物監(jiān)測[10]、智能溫室溫度控制[11]、智能圖書管理[12]等方面。

文中介紹一種教學樓智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計方案，以Arduino單片機作為核心控制器，通過無線WiFi方式傳輸信息，在Android手機客戶端，遠程操作教學樓內(nèi)的照明器件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于WiFi和Arduino單片機的智能照明系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：一是可對教學樓內(nèi)光照強度和人數(shù)進行檢測及顯示；二是可在手機客戶端對教室內(nèi)的照明器件進行操作；三是可對多個燈節(jié)點統(tǒng)一操作，或單獨控制一個照明器件。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

通過圖1可以看出，智能照明系統(tǒng)主體框架由手機客戶端、AP協(xié)調(diào)器、系統(tǒng)終端3個部分組成，各部分具體功能分析如下：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）手機客戶端：系統(tǒng)客戶端部分是基于Android操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的，通過搭建Eclipse軟件開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的界面功能。

2）AP協(xié)調(diào)器：AP協(xié)調(diào)器是整個系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心，實現(xiàn)WiFi和智能手機終端的連接，對接收到的信息進行分析處理。

3）系統(tǒng)終端：該部分主要由 WiFi Station、單片機和照明燈組成。WiFi Station作為終端的無線通信設(shè)備，主要用來實現(xiàn)同手機客戶端之間的數(shù)據(jù)有效傳輸功能。單片機作為系統(tǒng)終端的控制設(shè)備，主要實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)交換以及系統(tǒng)終端有用數(shù)據(jù)的存儲以及分析處理等功能。

2 硬件設(shè)計

無線智能照明系統(tǒng)的硬件部分主要包括：無線WiFi模塊、單片機模塊和傳感器模塊3部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 WiFi模塊

無線WiFi模塊用來實現(xiàn)系統(tǒng)終端和手機客戶端之間的通信。WiFi模塊與單片機之間通過異步串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，該過程是通過WiFi模塊和單片機自身帶有的串口來實現(xiàn)的。當手機客戶端發(fā)起命令請求信號時，該信號將首先通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)到達WiFi Station端，然后再通過其串口將具體的信號命令消息發(fā)送給單片機設(shè)備，最終將由單片機解析具體的命令消息并執(zhí)行命令指定的功能。

本智能照明系統(tǒng)的WiFi模塊選用ESP8266芯片，ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨立運行，也可以作為slave搭載于其他Host運行，支持3種組網(wǎng)模式：softAP模式，station模式，softAP+station模式[13]，用戶可根據(jù)具體需求靈活選擇。

2.2 單片機模塊

單片機作為無線照明控制系統(tǒng)的核心，主要具有以下功能：

1）接收手機客戶端通過WiFi模塊發(fā)送的信息，判斷這個信息的作用，對接收到的信息進行處理；

2）接收傳感器模塊檢測到的室內(nèi)光強和人數(shù)并進行處理；

3）根據(jù)手機客戶端發(fā)送的信息和傳感器模塊檢測的數(shù)據(jù)控制照明燈的狀態(tài)。

本設(shè)計中使用Arduino UNO R3單片機作為核心控制單元，采用Atmel Atmega 328微處理控制器，具有14路數(shù)字量輸入/輸出端口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬量輸入，一個16 MHz晶振，支持ISP下載功能，與其他同類型單片機相比，Arduino單片機有豐富的系統(tǒng)資源，編程簡單，模塊擴展功能強大，因此具有廣闊的應用前景[14-16]。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括光照傳感器和紅外檢測模塊兩部分，主要功能是對教學樓內(nèi)光照強度和人數(shù)進行實時檢測，并將數(shù)據(jù)傳送至控制單片機，以便單片機做出控制。

光照強度檢測模塊主要功能是對教學樓內(nèi)光照強度進行實時準確的監(jiān)測，該部分由光敏電阻和LM393芯片組成，光敏電阻檢測到不同光強就會得到不同的阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號送給電壓比較器LM393來檢測教學樓內(nèi)實時光照強度。因為Arduino UNO R3單片機有6路模擬量輸入通道，因此光照檢測電路可直接與單片機連接，不必再另外使用A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

紅外檢測模塊可以對教室內(nèi)人員流動情況進行實時檢測，由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成（圖3）。當紅外對管檢測到有人靠近時，就會發(fā)出一個信號給放大電路，該信號經(jīng)過放大后，傳送給電壓比較器，與其上基準電壓進行比較，從而產(chǎn)生一個高/低電平，并以此電平作為單片機的外部計數(shù)信號，啟動單片機進行計數(shù)，該數(shù)值就是教室內(nèi)當前人數(shù)，最終將人數(shù)顯示在顯示器上。

圖3 紅外檢測模塊框圖

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)配置初始化成功后等待WiFi模塊啟動，WiFi模塊啟動后燈節(jié)點開始正式工作；傳感器模塊將檢測到的教學樓內(nèi)人數(shù)和光照情況傳輸給單片機，單片機將其處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C客戶端，等待客戶端發(fā)送指令：若接收到信息，則按照對應指令設(shè)置照明燈的狀態(tài)，并返回等待下一次命令，若沒有則繼續(xù)等待，軟件流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

手機客戶端應用軟件的設(shè)計使用的是Eclipse，它是一個源代碼開放、基于Java的可擴展開發(fā)平臺。使用Eclipse進行應用開發(fā)需先安裝ADT插件，這樣才可以在Eclipse中啟動Android模擬器進行程序調(diào)試等[17]。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，開發(fā)的應用軟件界面如圖5所示。在客戶端可以顯示各個照明燈的狀態(tài)，燈亮起時，左邊小燈圖標高亮，熄滅時圖標為灰色。通過右邊的開關(guān)可以調(diào)節(jié)每盞燈的開關(guān)狀態(tài)。

圖5 手機客戶端程序界面

系統(tǒng)工作時，要先將手機客戶端接入附近的WiFi網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中ESP8266選用softAP+station組網(wǎng)模式，該模式下Andronid手機可以作為station連入ESP8266的softAP接口，同時可以控制ESP8266的station接口通過路由器連入internet。以下命令是將名稱為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi接入手機客戶端的具體方法。

AT+RST 模塊重啟；

AT+CWMODE=3設(shè)置為AP+STA模式；

AT+RST 重啟模塊；

AT+CWLAP 查詢附近可加入的WiFi

AT+CWJAP="FAST_94BE04"，"q5754831"

加入用戶名為FAST_94BE04，密碼q5754831的WiFi；

AT+CIFSR 將模塊設(shè)置為客戶端；

AT+CIPMUX=1 查看模塊的ID；

AT+CIPSERVER=1，8080開啟SERVER模式，端口號為8080；

至此就可以用手機接入用戶名為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi模塊。設(shè)置手機APP的TCP服務IP，與用Eclipse軟件查詢到ESP8266模塊的ID一致，連接后就可用手機終端發(fā)送命令給ESP8266模塊。

4 系統(tǒng)測試與效果分析

為了分析基于WiFi的室內(nèi)照明系統(tǒng)的性能，在西安翻譯學院工程技術(shù)學院教學樓內(nèi)應用該系統(tǒng)并進行功能測試，系統(tǒng)功能測試結(jié)果（表1）表明系統(tǒng)的各個功能運行效果良好，使用手機客戶端連接WiFi模塊后，就可以對照明燈的狀態(tài)進行控制了，可以控制單個燈泡，也可以對多個燈泡進行控制，系統(tǒng)能實現(xiàn)教學樓照明燈的遠程無線控制。

表1 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

文中提出了一種基于WiFi的教學樓照明系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計的主要特點為：采用高性能的Arduino UNO R3單片機作為控制核心，提高系統(tǒng)控制功能；在教學樓網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中引入WiFi無線通信技術(shù)，以增大無線通信距離并簡化組網(wǎng)方法；設(shè)計了WiFi智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備人數(shù)采集、光照度采集和WiFi通信功能；設(shè)計了手機客戶端程序，該程序?qū)崿F(xiàn)了用戶登陸和教室照明燈狀態(tài)實時顯示、遠程控制等功能。

對于大型辦公樓等場所，可以使用WiFi模塊的無線分布式系統(tǒng)功能，將多個AP互相連接，組成一個覆蓋范圍更廣的網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻：

[1]金基宇，王虹元，金桂月，等.基于ZigBee的LED智能照明系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù)，2016（10）：76-82.

[2]王強，范延濱.基于ZigBee技術(shù)的智能家庭照明系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)，2016（10）：12-13，16.

[3]段小匯，馮俊青.基于直接數(shù)字控制器的教室智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2012（12）：106-107.

[4]程春.大學教室智能照明控制器及其系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學，2010.

[5]張云莉，周曉平，朱雙霞，等.基于單片機的教室節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：103-105.

[6]伍世云，羅江，王益艷，等.基于單片機的高校教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2016（23）：180-182.

[7]劉瑞妮，梁瑞.基于單片機的教學樓智能照明節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2016（20）：224-225.

[8]吳濤，楊著，張麗霞.基于ZigBee和Android手機的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015，23（3）：809-811.

[9]馮勇，王繼紅，蔣銘凱，等.一種無線室內(nèi)空氣污染物監(jiān)測裝置的研制[J].河南科學，2016，34（5）：712-715.

[10]劉紅義，趙方，李朝暉，等.一種基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2010（2）：361-365.

[11]賈薇，徐曉輝，宋濤，等.基于WIFI的智能溫室移動控制終端系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學報，2015，5（36）：87-89，107.

[12]戴振祥.基于Wifi的智能圖書管理系統(tǒng)設(shè)計[J].寧波教育學院學報，2016（3）：61-64.

[13]范興隆.ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2016（9）：52-56.

[14]卞云松.基于Arduino單片機的避障小車機器人[J].自動化技術(shù)與應用，2014（1）：16-19.

[15]楊振乾，張旭東，王子城，等.基于Arduino單片機的邁克爾遜干涉儀測量改進[J].實驗室研究與探索，2016（1）：50-53.

[16]張可兒，魏盼.基于Arduino單片機的遙控救援小車[J].自動化與儀器儀表，2016（11）：58-60.

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