基于無線WIFI的智能家居燈光控制系統(tǒng)設(shè)計

袁月 曾春平 馬琨

摘 ?要： 本文基于智能家居的理念，設(shè)計了一種將無線WIFI技術(shù)與燈光控制相結(jié)合的智能家居燈光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用移動終端實現(xiàn)LED燈的開關(guān)控制和LED燈亮度變化的無線遠(yuǎn)程遙控功能，具有成本低、傳輸速率高、可移動等優(yōu)點，取代了傳統(tǒng)燈光控制耗時費力的有線控制。實驗測試結(jié)果表明，在10 m傳輸距離的范圍內(nèi)，所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的開關(guān)性能和亮度控制功能，且便于移植和擴(kuò)展，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);WIFI技術(shù);智能燈光控制;無線遠(yuǎn)程遙控。

中圖分類號： TP202 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.046

本文著錄格式：袁月，曾春平，馬琨，等. 基于無線WIFI的智能家居燈光控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件，2019，40（8）：203207+215

【Abstract】： Based on the concept of smart home， this paper designs a smart home light control system which combines wireless WIFI technology. The system uses mobile terminal to realize the switch control of LED lamp and the wireless remote control function of the change of LED lamp brightness， which has the advantages of low cost， high transmission rate and removable， which replaces the time-consuming and laborious wired control of traditional light control. Experimental results show that in the range of 10m transmission distance， the designed system has good switching performance and brightness control function， and is easy to transplant and expand， and achieves the expected results.

【Key words】： Single chip microcomputer; WIFI technology; Intelligent light control; Wireless remote control

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，消費者對健康舒適的生活環(huán)境提出了越來越高的要求[1]。燈光控制系統(tǒng)是人們生活環(huán)境中比較重要的系統(tǒng)之一[2]，但在日常生活中，為滿足各種照明需要而安裝的大量燈具控制開關(guān)分布極其不均，這對燈光控制有較大影響。目前，主流的家庭燈光控制系統(tǒng)是有線的，雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，但是布線不方便且不易改動，如當(dāng)設(shè)備需要增減時，接線存在安裝復(fù)雜、能耗大、工期長、移動困難、難度大等缺點。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，燈光控制技術(shù)得到了更簡便的技術(shù)支持。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最初是一種基于計算機(jī)的通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)互連。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以適應(yīng)各種無線終端，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信和資源共享[3]。近年來，由于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，人們逐漸認(rèn)識到無線網(wǎng)絡(luò)的明顯優(yōu)勢和優(yōu)異性能，從而以極快的速度推動了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。智能家居是互聯(lián)網(wǎng)影響下物聯(lián)網(wǎng)的體現(xiàn)，它通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中各種設(shè)備連接起來[4-5]，提供家電控制、燈光控制、電話遙控、室內(nèi)外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)測、暖通空調(diào)控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)、可編程定時控制，提供全方位信息交互能力的各種功能和手段，智能家居最終目標(biāo)是實現(xiàn)家庭的自動化管理和智能化管理[6-8]。智能家居燈光控制系統(tǒng)已成為智能家居中最受歡迎的子系統(tǒng)之一。特別是近年來，隨著人民生活水平的提高和房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對生活環(huán)境的要求越來越高，對生活環(huán)境的需求越來越多樣化，對一些智能照明系統(tǒng)的需求也在逐漸的增長。目前，對燈光控制存在著許多問題，如需要增加所需的照明類型成倍上升，如何規(guī)劃布局和布線，以及人力、物力和財力的成本[9]。為了有效地避免有線傳輸?shù)娜秉c，有必要提出一種合適的無線通信傳輸方式。本文將無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于燈光控制，有效地緩解了這一問題。

本文基于智能家居和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概念，選擇了燈光控制為應(yīng)用對象，使用手機(jī)智能終端作為控制設(shè)備，實現(xiàn)對LED燈的無線遠(yuǎn)程控制。無線網(wǎng)絡(luò)中的WIFI技術(shù)是本文的主要研究方向。它不僅解決了傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)布局和布線工程的難點，而且緩解了現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)的傳輸速率低、延時長、可靠性差等問題，靈活組網(wǎng)方便快捷。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)上述分析，確定了智能家居無線燈光控制系統(tǒng)的總體方案由一個STM32F103C8T6單片機(jī)核心電路、兩個白色高亮度LED燈電路、WIFI模塊ESP8266電路、手機(jī)APP模塊和電源電路組成的無線控制系統(tǒng)?？傠娫春徒祲弘娐废蛳到y(tǒng)提供5V電壓。STM32通過WIFI模塊電路實時監(jiān)控APP發(fā)送的命令數(shù)據(jù)，對命令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后，根據(jù)解析后的命令，通過單片機(jī)的定時器產(chǎn)生不同的PWM信號，控制高亮LED燈的開啟、關(guān)閉和LED燈的亮度變化。本文設(shè)計的基于智能家居的燈光控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?硬件電路設(shè)計

2.1 ?STM32F103C8T6單片機(jī)核心電路設(shè)計

本文所用的單片機(jī)控制芯片是STM32F103C8T6單片機(jī)，STM32系列處理器是基于32位ARM7的微控制器，支持實時仿真和跟蹤[10]。之所以選擇這款控制芯片，是因為本文設(shè)計不是追求最低功耗，而是在實現(xiàn)本設(shè)計功能的前提下能夠提供豐富的接口和功能來設(shè)計其它實驗系統(tǒng)項目所需的外圍擴(kuò)展電路。此款控制芯片廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，具有良好的實驗研究價值。

在本文設(shè)計中，STM32單片機(jī)的PA6引腳連接到LED1上，PA5引腳連接到LED2上;STM32單片機(jī)的PA9引腳連接到ESP8266芯片的Rx管腳，PA10引腳連接到Tx管腳。其中STM32F103C8T6單片機(jī)核心板接口電路圖2所示。

2.2 ?超高亮LED燈光電路設(shè)計

超高亮LED是一種新型的LED，其亮度是普通LED的近100倍以上。白色高亮度LED燈具有以下優(yōu)點：壽命長、可靠耐用、維護(hù)成本極低、可連續(xù)使用105萬小時（理論值）、比普通白熾燈使用時間接近長100倍;效率高、發(fā)光效率可達(dá)百分之八十至百分之九十，比節(jié)能燈還能節(jié)能1/4;照明點亮速度快，可達(dá)到ns級。

本設(shè)計選用白色超高亮度LED燈作為照明燈。燈光控制的主要功能是接收移動終端的命令，控制燈的開關(guān)操作，調(diào)節(jié)燈光的亮度。

高亮LED照明電路原理如圖3所示，在該電路中，STM32的PA6、PA5與電阻R2、R3相連再分別和超高亮LED1、LED2連接，最后接+3.3V的電源。兩個電阻的作用的保護(hù)LED，防止在電源接通后，出現(xiàn)電流過大使得LED被燒毀。當(dāng)STM32的PA5、PA6通過IO口輸入的是低電平時，超高亮LED亮起，當(dāng)PA5、PA6輸入高電平時，超高亮LED不亮。

2.3 ?ESP8266型WIFI模塊控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用WIFI模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。WIFI是一種可以無線連接個人PC和手持設(shè)備等終端的技術(shù)，其目的是提高基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互操作性，該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長等優(yōu)勢[11]。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WIFI已成為現(xiàn)代人生活中不可缺少的一部分，可與4G/5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)集成，具有廣闊的應(yīng)用前景。

ESP8266系列芯片具有超高集成度、超低功耗、體積小等特點，它們是為移動設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的，可以將用戶的物理設(shè)備連接到無線WIFI網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，非常適合無線控制。ESP8266芯片支持三種模式，即softAP模式、station模式和softAP+station模式[12]。softAP模式是無線接入點模式。ESP8266在softAP模式下工作等同于一個路由器，可以用它作為一個載體發(fā)射WIFI熱點。智能終端設(shè)備可以連接到ESP8266熱點，建立局域網(wǎng)。

在本文中，ESP8266芯片使用softAP模式，STM32F103C8T6單片機(jī)通過發(fā)送AT命令初始化ESP8266芯片。ESP8266芯片的RXD管腳與STM32的PA9相連，TXD與STM32F103的PA10相連，這兩個可以和5V單片機(jī)的RXD1、TXD1連接，經(jīng)測試通信正常，無需5V轉(zhuǎn)3.3V，其中GND引腳接地，RST引腳是低電平復(fù)位，VCC引腳接3.3V，GPIO2、GPIO0引腳懸空，CH_PD引腳串聯(lián)個電阻然后電阻再接到VCC，不加電阻經(jīng)過測試不行，電流太大。WIFI模塊電路圖如圖4所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?系統(tǒng)總體程序設(shè)計

系統(tǒng)運行流程圖如圖5所示。

第一步是將STM32單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘初始化;

第二步初始化IO端口并初始化連接到LED的硬件接口;

第三步初始化定時器和串行端口，設(shè)置定時器的計數(shù)頻率與計數(shù)值和串行端口波特率;

第四步STM32單片機(jī)通過串口對ESP8266初始化，使ESP8266工作在softAP模式，允許連接，創(chuàng)建端口號等;

第五步實時監(jiān)測WIFI串口是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，如果沒有接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)監(jiān)測WIFI串口，直至接收到數(shù)據(jù)為止;

第六步對WIFI數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，根據(jù)解析得到的數(shù)據(jù)，設(shè)置PWM值來對LED進(jìn)行控制，不同的解析數(shù)據(jù)控制LED不同的狀態(tài)，LED控制完成后，STM32持續(xù)監(jiān)控WIFI串行端口數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)指令由移動終端發(fā)送。

3.2 ?LED亮度控制程序設(shè)計

3.2.1 ?PWM調(diào)節(jié)LED亮度原理

LED是一個二極管，可實現(xiàn)快速開關(guān)，其速度是任何發(fā)光裝置都無法比擬的。因此，只要采用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調(diào)制調(diào)光法，即PWM調(diào)光法。

PWM調(diào)光法有兩個重要參數(shù)，一個是脈沖頻率的選擇，另一個是定時器比較值的選擇。脈沖頻率的選擇是因為LED處于快速開關(guān)狀態(tài)，如果工作頻率較低，人眼會感到閃爍。為了充分利用人眼的視覺殘留現(xiàn)象，其工作頻率應(yīng)高于100 Hz，雖然100 Hz以上人眼無法檢測到它，但它是人類聽力的范圍，直到20 kHz。如果頻率低于20 kHz，調(diào)光時會引起嘯聲，解決這個問題的一種方法是將開關(guān)頻率提高到20 kHz以上，就跳出了人耳聽覺的范圍。然而，過高的頻率會導(dǎo)致一些問題，從而導(dǎo)致脈沖波形失真。為了避免脈沖波形失真，本文將脈沖頻率調(diào)整為10 kHz，這個頻率人耳已經(jīng)不敏感了。

在使用PWM調(diào)節(jié)LED的亮度時并不靠改變功率，而是靠LED亮、滅交替。當(dāng)亮、滅交替夠快時，肉眼會認(rèn)為LED一直在亮。在LED亮、滅的過程中，滅的狀態(tài)持續(xù)時間越長，LED給肉眼的觀感就是亮度越低。點亮的時間越長，滅的時間就相應(yīng)減少，LED就會變亮?？刂芁ED亮與滅的時間主要是選擇定時器的比較值，當(dāng)比較值比相對較小時，脈沖低電平時間較短，亮度較暗，反之亮度較高。如圖6所示。

3.2.2 實現(xiàn)方式

當(dāng)STM32監(jiān)測WIFI串口接收到數(shù)據(jù)時，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)來控制LED的狀態(tài)，其對應(yīng)方式如表1所示。

當(dāng)移動終端設(shè)備連接ESP8266發(fā)出的WIFI后，可通過監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)對LED進(jìn)行控制。本文將LED控制分為整體控制和分組控制兩部分。整體控制分為將LED全部開啟和關(guān)閉;分組控制將兩個LED分開控制，分別實現(xiàn)LED的開啟和關(guān)閉，開啟時默認(rèn)最高亮度，然后可以選擇LED的亮度檔位，本設(shè)計實現(xiàn)三種亮度檔位之間的變換，三種亮度檔位分別是PWM占空比為30%、60%和100%。完成一次控制結(jié)束后，STM32單片機(jī)繼續(xù)監(jiān)控WIFI串口數(shù)據(jù)。

4 ?實驗與驗證

4.1 ?系統(tǒng)整體性能測試

通過移動終端連接ESP8266WIFI模塊熱點，數(shù)據(jù)命令通過移動終端發(fā)送，從而成功實現(xiàn)對LED燈進(jìn)行無線遠(yuǎn)程控制，通過不同的數(shù)據(jù)指令成功控制不同LED燈的開啟狀態(tài)及關(guān)閉狀態(tài)和控制每個LED處于不同亮度等級的開啟狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

打開移動終端的控制界面，分別對系統(tǒng)的LED開關(guān)控制與亮度變化等進(jìn)行功能測試，確認(rèn)LED的控制功能和預(yù)期結(jié)果一致，系統(tǒng)整體功能的測試如表2所示。

4.2 ?系統(tǒng)有效傳輸距離測試

為智能家居燈光控制系統(tǒng)的有效傳輸距離測試結(jié)果如表3所示，其中0表示數(shù)據(jù)傳輸成功，1表示數(shù)據(jù)傳輸失敗。傳輸數(shù)據(jù)失敗原因可能是距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。從表3可以看出，數(shù)據(jù)傳輸正常的距離范圍為10 m。

4.3 ?LED燈開關(guān)性能測試

在系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的有效距離范圍內(nèi)，進(jìn)行燈光設(shè)備的開關(guān)測試，使用兩個超高亮LED進(jìn)行測試，燈光設(shè)備的遠(yuǎn)程控制由移動客戶端的命令控制實現(xiàn)。本次燈光設(shè)備的開關(guān)測試次數(shù)為60次，測試結(jié)果見表4，LED1和LED2在測試過程中每次都正常打開，反應(yīng)時間極短。

5 ?結(jié)語

智能家居燈光控制系統(tǒng)是一項不斷成熟且具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。目前，我國在該領(lǐng)域還處于小規(guī)模、高精尖的應(yīng)用階段，但在不久的將來會將其廣泛應(yīng)用于普通家庭場所。它將給人們的日常生活帶來許多便利。本文簡單描述了目前廣泛應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居的概念，設(shè)計開發(fā)了一種基于WIFI傳輸?shù)臒艄饪刂葡到y(tǒng)。通過該系統(tǒng)，將各種指令傳輸?shù)角岸藷艄庠O(shè)備，實現(xiàn)對燈光的多樣化控制，有效避免了不必要的布置和布線，且方便進(jìn)行移植和擴(kuò)展。

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