具備電容觸控界面的智能照明控制器設(shè)計

翟迪國 陳志斌 易子川 李笑然 周國富 周瑩

摘 要： 針對現(xiàn)有智能照明系統(tǒng)人機界面可操作性差的問題，提出一種具備觸控人機界面的智能照明控制器設(shè)計方案。智能照明控制器通過WiFi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以實現(xiàn)手機端APP遠程控制，調(diào)光調(diào)色，開關(guān)定時；同時，控制器上設(shè)計了獨立的電容觸控調(diào)光調(diào)色電路，可以脫離手機，現(xiàn)場手動觸控調(diào)光調(diào)色，場景切換。文中以燈帶作為照明光源，詳細說明了遠程控制與觸控操作的驅(qū)動邏輯，實現(xiàn)遠程智能管理和實時現(xiàn)場觸控的有機結(jié)合。結(jié)果表明，智能照明控制器人機界面友好，顯著改善了智能照明產(chǎn)品的實際體驗。

關(guān)鍵詞： 智能照明控制器； 人機界面； 電容觸控； WiFi模塊； 物聯(lián)網(wǎng)云平臺； 遠程管理

中圖分類號： TN712+.3?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0092?06

Abstract： As the human?machine interface of the current intelligent lighting system has the problem of poor operability， a design scheme of the intelligent lighting controller with a touch?control human?machine interface is proposed. The intelligent lighting controller is connected to the cloud platform of Internet of Things （IoT） by means of the WiFi module， so as to realize remote control of the APP on the mobile phone terminal， brightness and color adjustment， and timing of switches. In the controller， an independent capacitive touch?control interface for brightness and color adjustment is designed to realize on?site finger touch control for brightness and color adjustment and scene switching without using a mobile phone. With the light strip taken as the illuminating light source， the drive logics of remote control and touch?control operation are described in detail， so as to realize organic combination of intelligent remote management and real?time on?site touch control. The results show that the intelligent lighting controller has a friendly human?machine interface， and can significantly improve the actual experience of the intelligent lighting product.

Keywords： intelligent lighting controller； human?machine interface； capacitive touch control； WiFi module； IoT cloud platform； remote management

0 引 言

作為智能家居的一個子系統(tǒng)，智能照明技術(shù)將是未來強化家居中節(jié)能與健康管理等綠色功能的重要技術(shù)手段[1]。而LED固態(tài)照明非常方便實現(xiàn)智能控制[2]，也是目前照明技術(shù)的主流。傳統(tǒng)的基于DMX[3]總線及DALI[4]總線等有線控制技術(shù)，基于WiFi[5]、ZigBee[6]、藍牙[7]，RF?433MHz[8]等無線控制技術(shù)，以及基于有線總線協(xié)議的無線控制系統(tǒng)[9]，在智能照明系統(tǒng)都有不同程度的應(yīng)用研究。近幾年快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與智能照明應(yīng)用結(jié)合迅速[10?11]，并進一步融合語音控制技術(shù)[12]，開始在云端應(yīng)用人工智能識別語音[13]，實現(xiàn)燈光情景控制。

現(xiàn)有的很多無線智能照明控制器設(shè)計功能單一，APP操作繁瑣，協(xié)議兼容性差，在用戶的實際生活中沒有讓用戶體驗到真正的方便快捷。李巖等實現(xiàn)了基于WiFi的智能照明系統(tǒng)[14]，但沒有考慮遠程控制問題。王永慧和胡艷蕊設(shè)計了Android端的APP，都是局域網(wǎng)的無線控制功能，沒有接入物聯(lián)網(wǎng)[15?16]；APP界面也太過復(fù)雜，不方便用戶操作。王敏提出一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)架構(gòu)，但體系復(fù)雜，實用性不強[17]；曹陽提出了觸控實現(xiàn)調(diào)光的照明設(shè)計方案，但沒有考慮聯(lián)網(wǎng)控制[18]。本文提出一個智能照明控制器的設(shè)計，該系統(tǒng)的特點是，結(jié)合有線的電容觸控和無線WiFi連接，實現(xiàn)有線和無線結(jié)合的智能照明控制，增加了控制器應(yīng)用的靈活性，改善了用戶的實際操作體驗。在無線通信過程中，本系統(tǒng)通過WiFi模塊結(jié)合LED照明、無線WiFi網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)LED照明的遠程智能化控制。同時，LED照明設(shè)備在Android手機客戶端的控制下，實現(xiàn)了調(diào)光調(diào)色、定時、場景切換等功能。與此同時，在有線連接過程中，本系統(tǒng)通過電容觸控面板，提供了調(diào)光調(diào)色的現(xiàn)場手動控制操作，達到了操作快捷方便、實時控制的效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本文所設(shè)計的智能照明控制器是由電源模塊、WiFi模塊、MCU模塊、電容觸控輸入模塊和手機APP組成，可外接直流12 V驅(qū)動的RGB彩光燈帶，實現(xiàn)智能燈光控制。電源采用SY8292電源IC實現(xiàn)了DC?DC電壓轉(zhuǎn)換，為MCU模塊、WiFi模塊以及電容觸控芯片WTC401供電。在無線連接設(shè)計上，WiFi模塊采用ESP8266單芯片系統(tǒng)。根據(jù)WiFi局域網(wǎng)控制的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的應(yīng)用情況和WiFi無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)運作方式，建立基于Java語言控制的基礎(chǔ)WiFi模式局域網(wǎng)環(huán)境。運用Java語言進行程序編寫，開發(fā)了一款操作簡單、功能齊全、界面友好的智能手機客戶端應(yīng)用軟件，使之能準(zhǔn)確、及時地向目標(biāo)硬件系統(tǒng)發(fā)出指令信號，與智能照明控制器進行通信，實現(xiàn)對RGB全彩LED燈帶的亮度和色彩的實時控制。在有線連接設(shè)計上，設(shè)置了獨立的電容觸控調(diào)光調(diào)色電路，利用電容觸控開關(guān)使用方便、壽命長久、成本低廉等特點，在燈光手動控制上達到快速響應(yīng)的效果，以及在操作流程上更加簡易。

控制器的總體構(gòu)架圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用12 V電源適配器供電，經(jīng)SY8292電源電路降壓后，輸出3.3 V穩(wěn)定直流電壓。輸出的3.3 V直流電壓不會隨電網(wǎng)電壓發(fā)生明顯波動，為ESP8266模塊和控制器主要邏輯電路的供電提供了良好的保障。系統(tǒng)中的ESP8266無線WiFi模塊是整個控制系統(tǒng)的通信橋梁，其作用包括：與智能手機終端進行通信，接收控制信號并返回相關(guān)狀態(tài)信息；根據(jù)接收的控制指令，與STM8控制器進行串口通信，再由STM8控制器輸出不同的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）信號驅(qū)動LED燈帶，以實現(xiàn)對LED燈帶的色溫、亮度和顏色的控制。系統(tǒng)選用RGB三基色LED作為照明的主要器件，可實現(xiàn)不同顏色的任意組合，從而根據(jù)用戶需要改變亮度和顏色。系統(tǒng)的智能手機終端相當(dāng)于遠程遙控設(shè)備，應(yīng)用軟件基于Andriod操作系統(tǒng)開發(fā)，用 Eclipse軟件進行程序編寫，編譯完成后生成.apk文件，下載至智能手機終端，安裝好后即為控制APP軟件。手機上的APP通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制數(shù)據(jù)下發(fā)給WiFi模塊，WiFi模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)上報狀態(tài)數(shù)據(jù)給手機，APP顯示到手機屏幕。STM8控制器把從ESP8266接收的數(shù)據(jù)進行處理，可將接收的控制信號進行及時的翻譯和響應(yīng)，向三個輸出端口輸出相應(yīng)的PWM調(diào)制信號[19]，以實現(xiàn)對三基色LED燈的控制。另外，控制器還具備有線輸入方式，設(shè)置了電容觸控面板，上面有8路觸摸開關(guān)輸入。當(dāng)人體手指接觸觸摸面板表面時，將根據(jù)8路觸摸開關(guān)檢測信息做編碼，實現(xiàn)位置偵測，把相關(guān)信息送給STM8單片機作判斷，進而控制RGB燈帶。

最后，WiFi模塊和手機端APP都可以接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)遠程無線連接，遠程控制。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

智能燈帶控制器硬件設(shè)計中包括電源模塊、MCU模塊、LED驅(qū)動模塊、WiFi模塊、電容觸控模塊。其中，電源模塊負責(zé)整個控制器的電壓分配，MCU模塊負責(zé)信息處理及輸出控制，LED驅(qū)動模塊保證了LED燈的亮度和顏色控制，WiFi模塊負責(zé)系統(tǒng)與手機的信息交換，電容觸摸模塊實現(xiàn)手指觸摸感應(yīng)。

2.1 電源電路

在硬件系統(tǒng)所包含的電路和設(shè)備中，ESP8266模塊、MCU模塊和觸摸模塊都需要穩(wěn)定的3.3 V直流電源供電。在電源模塊設(shè)計中，采用SY8292電源IC，實現(xiàn)DC?DC降壓轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換率可高達97%。本系統(tǒng)由電源適配器提供12 V電壓輸入，12 V電壓通過SY8292電源IC轉(zhuǎn)為3.3 V直流電壓，直接給ESP8266模塊和STM8單片機等電路提供穩(wěn)定的直流電壓。如圖2所示，通過調(diào)節(jié)電阻R20和R12的值，根據(jù)計算公式即可得出輸出電壓的值。SY8292電源電路調(diào)整輸出電壓的計算公式如下：

2.2 MCU和LED驅(qū)動電路

本系統(tǒng)是以STM8S103F3P6單片機為主要控制芯片，如圖3所示，工作電壓為2.95～5.5 V。該芯片其內(nèi)部資源豐富，功能強大且功耗低，價格低廉，還具有良好的穩(wěn)定性，對控制信號的傳輸和處理都具有良好的時效性和準(zhǔn)確性。

在本設(shè)計中通過STM8單片機輸出三路PWM信號，PWM_R/PWM_G/PWM_B對應(yīng)RGB三色LED燈光。圖4以一路PWM_B為例，PNP小信號三極管S8050實現(xiàn)了單片機3.3 V開關(guān)電平轉(zhuǎn)換為12 V電平驅(qū)動NMOS功率三極管AP60T03，實現(xiàn)對RGB三路LED燈的電流通斷控制。在LED燈帶調(diào)光過程中，PWM是通過改變LED的通斷時間比例實現(xiàn)亮度控制。STM8單片機中有專用的硬件PWM信號生成器，通過高分辨率計數(shù)器，實現(xiàn)對輸出PWM方波頻率和占空比的調(diào)制，通過高速開關(guān)，使LED燈在不斷交替的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)切換，實現(xiàn)對LED燈亮度的調(diào)節(jié)。由于PWM調(diào)光負載電流只有滿載、空載兩種工作狀態(tài)，所以不會對LED 的色溫、色偏等性能造成干擾。因此，PWM 調(diào)光為本設(shè)計系統(tǒng)的主要調(diào)光方式。本設(shè)計實例中，PWM工作頻率為1 kHz，實現(xiàn)占空比256級，RGB合成顏色數(shù)量為：256×256×256=1 600萬色。

為了滿足用戶對照明顏色、亮度和色溫自主調(diào)節(jié)的要求，系統(tǒng)的照明光源采用封裝全彩紅、綠、藍三基色LED的集合燈芯，3顆LED芯片集成在一個的5 mm×5 mm尺寸陶瓷基座上，混色效果好。LED芯片的控制參考電壓分別為：R（紅），1.8～2.0 V；G（綠），3.2～3.4 V；B（藍），3.2～3.4 V。對于 LED 紅、綠、藍三種小燈珠的發(fā)光強度的比例，一般選擇為： 3（紅）∶6（綠）∶1（藍），可以組合得到白色。因此用戶可以根據(jù)自己需要調(diào)節(jié)顏色和亮度，即通過改變封裝好的三基色LED中的各種顏色小燈珠的驅(qū)動電流比例，從而實現(xiàn)對LED光源的亮度和色溫的調(diào)節(jié)。因系統(tǒng)運用的LED燈光譜十分靈活，其顯色性和輻射光受三顆單色的小燈珠共同影響，所以封裝好的三基色LED燈，具有良好的穩(wěn)定性，其發(fā)光的亮度和顏色的調(diào)節(jié)也十分方便。

2.3 WiFi模塊電路

本系統(tǒng)直接采用WiFi模塊，電路設(shè)計如圖5所示。WiFi模塊可以加入WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制器接入網(wǎng)絡(luò)。智能手機客戶端APP和ESP8266無線控制模塊都分別加入預(yù)設(shè)WiFi網(wǎng)絡(luò)，APP的相關(guān)控制信號經(jīng)由WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送給智能照明控制器。當(dāng)ESP8266無線控制模塊接收到相應(yīng)的控制信號時，通過UART串口傳送給STM8單片機處理，不同的控制指令使單片機的三個PWM輸出端口輸出占空比互不相同的PWM控制信號，以對三基色LED燈帶的三種不同顏色的小燈珠進行亮度調(diào)節(jié)，從而組合成用戶要求的顏色和亮度。ESP8266模塊與單片機連接，在實時傳送用戶控制信號到單片機的同時，單片機報告智能照明控制器的狀態(tài)到用戶手機，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸和進行實時監(jiān)測。

2.4 電容觸控輸入電路

利用人體的電容效應(yīng)，可以實現(xiàn)手指觸摸偵測[20]。如圖6所示，本系統(tǒng)電容觸控電路采用WTC401專用觸控芯片，設(shè)置了8路觸摸開關(guān)輸入。當(dāng)人體接觸到電路板的覆銅觸摸片上，根據(jù)平行介質(zhì)電容公式得：

式中：ε為介電常數(shù)；k為靜電常量；S為電容極板的正對面積；d為兩極板間距離。當(dāng)S和d發(fā)生變化時，感應(yīng)電極與電路地之間的電容值發(fā)生改變，WTC401捕抓到此變化后進行信號處理，生成觸摸輸入位置信息，隨后把數(shù)據(jù)傳送到單片機，最后由單片機根據(jù)觸摸開關(guān)的按下情況控制三路PWM的輸出占空比，進而控制LED燈帶照明。

在實際使用中，在圓形觸控面板上設(shè)計8個觸控按鍵版圖，采用尖劈方式彼此交叉，首尾相連，構(gòu)成一個觸控環(huán)。觸控區(qū)域可量化為64個物理觸摸位置信息，單片機通過SPI接口不停地查詢WTC401，實時獲取手指觸摸位置信息，轉(zhuǎn)為64種顏色編碼，控制PWM調(diào)光調(diào)色。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)基于嵌入式開發(fā)平臺，對STM8單片機進行C語言程序編譯。在軟件編寫中可分為以下幾個部分：系統(tǒng)初始化、觸摸按鍵識別、邏輯判斷、PWM輸出、看門狗復(fù)位、WiFi模塊驅(qū)動及傳輸協(xié)議解析。主程序流程圖如圖7所示。

本設(shè)計在手機客戶端上基于Android軟件開發(fā)平臺，編寫了一款手機軟件，此軟件主要配合硬件系統(tǒng)進行無線控制及實時狀態(tài)監(jiān)測。Eclipse 擁有免費、源代碼開放、無限的可擴展性等特點，為本系統(tǒng)的軟件編寫提供了便利的條件。本系統(tǒng)借助 Eclipse軟件，運用Java語言進行控制程序編寫，編譯完成后可生成一個.apk文件，將其下載至手機，可得到一個手機APP軟件，借助這個軟件便能在WiFi網(wǎng)絡(luò)下與ESP8266模塊進行通信，進而與單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交接，手機APP軟件編譯后的手機APP燈光控制主界面如圖8所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)云平臺的接入

智能照明的云平臺工作流程如圖9所示。廣州機智云物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司提供智能硬件自助開發(fā)的云服務(wù)平臺，本系統(tǒng)選擇其提供服務(wù)的機智云作為物聯(lián)網(wǎng)云接入平臺。在WiFi模塊中，已內(nèi)置了機智云系統(tǒng)云端編譯好的固件。硬件部分通過WiFi模塊與機智云通信，上傳設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。機智云與WiFi模塊通信將手機APP控制命令下發(fā)給控制器執(zhí)行。若控制器與手機接入同一局域網(wǎng)，則手機APP可直接與系統(tǒng)硬件交互，無需通過機智云。機智云支持設(shè)備以HTTPS，MQTT方式接入。HTTPS接入的場景主要有：獲取設(shè)備配置信息、獲取設(shè)備升級信息等。MQTT接入場景有：訂閱設(shè)備控制指令、發(fā)布設(shè)備狀態(tài)等。

5 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

軟件調(diào)試好后，將智能照明控制器接入預(yù)定WiFi網(wǎng)絡(luò)，智能手機接入同一個WiFi網(wǎng)絡(luò)。APP軟件添加設(shè)備后，可實現(xiàn)對燈帶的實時控制。智能照明控制器電路板實物如圖10～圖12。彩光燈帶在APP界面和觸控面板輸入控制下的顯示效果如圖13所示。

智能燈光控制器與彩光燈帶參數(shù)為：控制器供電，DC 12 V/1 A；燈帶功率，6 W（30×0.2W/LED）；PWM輸出，1 kHz，256級占空比；調(diào)色能力，1 600萬色；觸控分辨率，64點@8按鍵環(huán)路；WiFi標(biāo)準(zhǔn)，2.4 GHz IEEE 802/11 b/g/n。

6 結(jié) 語

本文提供了一種具備觸控功能的智能照明控制器設(shè)計方案，并對此方案進行了詳盡的描述，通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對照明系統(tǒng)進行遠程無線控制，在一定程度上方便用戶在遠距離控制照明系統(tǒng)。為了進一步提高用戶體驗，系統(tǒng)通過有線電容觸控方式增強了控制器的靈活性和實用性，在功能上實現(xiàn)了LED燈帶的亮度調(diào)節(jié)和色彩調(diào)節(jié)，最終帶給用戶全新體驗，促進智能照明系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用普及。

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