基于WiFi的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計

曾學仁

【摘 ?要】隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新優(yōu)化，傳統(tǒng)的教室照明系統(tǒng)由于智能化不足，擴展性較差，維修成本與能耗較高已經(jīng)不再適用于現(xiàn)今的各大高校。為了保證教室內(nèi)部的正常照明，現(xiàn)今的教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計都是基于WiFi條件下進行的，基于 WiFi的無線照明系統(tǒng)將避免傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)的功能單一、智能化程度不夠高等缺點的出現(xiàn)，同時其還具有操作簡單、擴展性良好的優(yōu)點。因而在其的應用設(shè)計中多采用STC89C52與HLK-M35 WiFi無線傳輸芯片，將二者相結(jié)合，完成終端控制節(jié)點設(shè)計。Wi-Fi網(wǎng)絡作為照明系統(tǒng)的通信方式，其可以將終端控制節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行連接，進而形成星型網(wǎng)絡，在實際的應用時只要通過手機系統(tǒng)軟件 app的操控，就能實現(xiàn)智能終端設(shè)計以及無線燈光控制，最終將控制功能和情景調(diào)節(jié)進行良好的完成。

【關(guān)鍵詞】WiFi教室;智能照明系統(tǒng);設(shè)計

進入21世紀以來，各大學校對于其內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)施都較為關(guān)注?，F(xiàn)今的很多學校內(nèi)的教室照明系統(tǒng)還在應用傳統(tǒng)的模式，其主電源經(jīng)過配電箱可以分出很多個支路，這些支路可以而分別向燈具供電;而想要使供電斷開就必須將這些支路串聯(lián)在照明中的單雙極開關(guān)上，所以，傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)只能通過開關(guān)來控制燈具，這樣無法實現(xiàn)人性化、多功能化的系統(tǒng)管理。由于現(xiàn)今的大學校園規(guī)模正在不斷的擴大，其教室的數(shù)量也在大幅度的增加，大學的教學又是一個開放型的教學管理模式，其內(nèi)部的人員流量較大，節(jié)能意識較為淡薄，因而就造成了高校的教室在白天室內(nèi)光照強度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業(yè);

1、系統(tǒng)總體框架設(shè)計

文中設(shè)計的智能照明控制系統(tǒng)由終端控制節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點、手機智能終端等組成。終端控制節(jié)點作為受控設(shè)備，主要負責接受來自 WiFi接入點轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息，實現(xiàn)對LED燈的控制。智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為 WiFi無線智能照明系統(tǒng)通訊的核心樞紐，主要為了實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換和 AT 指令的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。安卓手機智能終端則通過用戶界面把行動指令和套接字送到WiFi節(jié)點，實現(xiàn)LED燈的控制。整個無線網(wǎng)絡采用星型連接。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

教室智能照明系統(tǒng)能對教室內(nèi)所有燈光進行監(jiān)控和管理，終端控制節(jié)點替代傳統(tǒng)的機械開關(guān)，利用單片機 STC89C52 產(chǎn)生一個 PWM 波實現(xiàn)對亮度控制。PWM 調(diào)光（Pulse Width Modulation Dimming）實現(xiàn)脈寬制調(diào)光，通過利用頻率超過100 Hz的亮度閃爍而肉眼難以發(fā)現(xiàn)的閃爍頻率這一特性，只要通過控制 LED燈開通和斷開時間的占空比，來實現(xiàn)改變 LED流過的平均電流，最終實現(xiàn)亮度的控制。采用 WIFI通信模塊來確保控制指令的可靠傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。微控制器是采用了 MCS-51 內(nèi)核的 STC89C51系列 52單片機，MCS-51是8位CPU，具有性能高、成本低、功耗小的特點。STC89C52處理性能強大，低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器;不僅滿足了上述對MCU的所有需求，并且目前已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，擁有較成熟的開發(fā)經(jīng)驗和技術(shù)的借鑒;其次存儲足夠大，給 WiFi智能網(wǎng)卡驅(qū)動移植和 TCP/IP協(xié)議移植提供支持。目前STC89C51系列開發(fā)最廣泛和常用的開發(fā)環(huán)境是 keil，使用熟練簡單，開發(fā)工具和仿真工具采用 SEGGER 公司為支持仿真 ARM 內(nèi)核芯片推出的 JTAG仿真器，價格較低，降低了開發(fā)成本。其中，STC89C52采用 5 V 的供電電壓。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 WiFi模塊程序設(shè)計

HLK-M35模塊是使用 AT+指令集方式配置。而AT+指令集方式是用戶人工通過串口輸入命令來配置參數(shù)的。HLK-M35模塊向使用用戶提供了 3個GPIO引腳，這 3個 GPIO功能引腳不僅可以通過 udp控制還可以使用AT指令讀寫控制。GPI000 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;GPI001 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;GPI002 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;AT指令控制示例：AT+GW=0，1 -- GPI000輸出高電平AT+GR=2，GPI02輸入電平HLK-M45 上電后，進入透傳模式，用戶通過串口命令把透傳模式切換到 AT 命令模式進行配置。當正常上電后，HLK-M35模塊會先檢查當前的網(wǎng)絡串口配置正常與否，是的話，則模塊自動進入透傳模塊;否的話，則模塊進入 AT指令模式。透傳模式進入 AT指令模式：在任何狀態(tài)下，拉低模塊第 33腳也就是 ES/RST腳的時間大于 0.5 s并且小于 5 s，HLK-M35 模塊立即進入 AT 指令模式。

3.2 PWM調(diào)光

設(shè)計中利用STC89C52單片機產(chǎn)生一個PWM波。初始化 P1.0=1，當 T0、T1兩個定時器同時打開，在定時器T1中斷時就將P1.0拉低，在T0中斷時再將P1.0拉 高，同時將這兩個定時初始值初始化，T0為65 536～1 000，T1為65 536～200。設(shè)定一個定時，如果設(shè)置周期是500 μs，那么，用count控制占空比，如果占空比是實時變化的，那么用一個變量代替count就可。PWM 調(diào)光其實就是通過調(diào)節(jié)可變占空比的方波信號來實現(xiàn)不同的亮燈模式，半夜燈的占空比為100%，1/2的占空比為 50%，1/3的占空比為 33%，1/4的占空比為 25%。當接收到調(diào)光命令時，PWM波上升沿中斷，設(shè)置定時器的時間等于高電平時間，然后提供PWM信號，可以按照所需調(diào)光模式來進行調(diào)節(jié)PWM 的占空比，當定時器中斷時，該亮燈模式也隨之關(guān)閉。

3.3 無線組網(wǎng)

在無線組網(wǎng)設(shè)置中，HLK-M35模塊既可以配置成一個無線 STA，還可以配置為 AP。為了實現(xiàn)串口轉(zhuǎn) WiFi STA 和串口轉(zhuǎn) WiFi AP。AP，即是一個無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點的無線接入點。其實，通常使用的無線路由器也是一個 AP，而且，其他無線終端也是可以通過 AP相互連接的。STA，是一個無線網(wǎng)絡的終端就是無線站點，不如PDA。HLK-M35模塊工作在STA的模式下。這是一種基本組網(wǎng)方式，由一個AP和多個STA組成。其特點是 AP 作為無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點，所以 AP 處于中心地位，而通過 AP轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn) STA 相互之間的通訊。在 STA 模 式 下，WiFi 模 塊 的 工 作 主 要 在 STA（CLIENT）模式。在適當設(shè)置后，COM的數(shù)據(jù)實現(xiàn)與WiFi的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的互相轉(zhuǎn)換。當工作在 AP的模式下，手機、電腦等設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)直接連上模塊，可以很方便實現(xiàn)對用戶的受控設(shè)備進行監(jiān)控。

3.4 手機終端程序

APP 主要包含的功能模塊包括：WiFi設(shè)備搜索與匹配，燈光的打開和關(guān)閉功能，調(diào)節(jié)燈光的亮度。而在智能手機終端，當打開APP時，手機會自動檢測 WiFi是否已經(jīng)打開，是的話則會查找設(shè)備，否則會退出程序;當查找設(shè)備時，沒有找到設(shè)備則會繼續(xù)查找，直到找到為止，找到設(shè)備則會連接匹配;匹配成功則可以選擇功能并控制實現(xiàn)，然后退出程序。在 WiFi配對成功后，用戶進入了 APP的功能界面，可以看到選擇所想要控制的地方，選擇完成后，可以進入所選地方界面的控制界面，在這里，可以選擇燈光的開啟和關(guān)閉。這樣就可以完成智能地控制燈光的開啟與關(guān)閉。其次，針對選擇控制的燈管，選擇燈光的亮度調(diào)節(jié)，這樣就可以完成智能地控制燈光的亮度，并調(diào)節(jié)。

結(jié)語

總而言之，隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各種能源的需求也在不斷的擴大，為此，進行各種項目的能源節(jié)約已經(jīng)是國家社會未來發(fā)展的必然趨勢。對于現(xiàn)今的高校教室燈光控制不完善的問題，進行基于 WiFi 的教室照明系統(tǒng)設(shè)計，在保證照明質(zhì)量的前提下，對教室燈光進行自動控制，將很好的實現(xiàn)節(jié)能目標，降低學校的經(jīng)費支出，為教室內(nèi)人員提供更加靈活便捷，可靠性高，節(jié)能與舒適并存的照明系統(tǒng)。

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（作者單位：浙江雙宇電子科技有限公司）