基于涂鴉IoT的智能燈光控制系統(tǒng)

鄧 超，沈珊瑚

（杭州師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311121）

0 引 言

現(xiàn)如今，許多城市都安裝了氛圍彩燈，如寫字樓外墻的大型燈光幕墻、道路旁的節(jié)日彩燈等。這些彩燈豐富了人們的生活，但是傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)的諸多缺陷也同時(shí)暴露出來，如不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要在現(xiàn)場對燈光設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些都使燈光控制系統(tǒng)不夠智能和靈活；并且大多采用的是能耗不是很理想的燈源，對能源的消耗比較大。當(dāng)前倡導(dǎo)節(jié)能減排的呼聲愈來愈高，未來的燈光控制一定會朝著更加智能和節(jié)能的方向發(fā)展?，F(xiàn)在嵌入式技術(shù)已經(jīng)極大地改變了人們的日常生活，生活中無不充斥著嵌入式開發(fā)的產(chǎn)品，小到手腕上佩戴的智能手表、運(yùn)動手環(huán)，大到常見的家用電器，如冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等；隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)還可以為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提供可靠的數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算功能。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以對燈光設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本燈光控制系統(tǒng)使用涂鴉公司提供的WiFi模塊WB3S與MCU通過USART串口進(jìn)行通信，模塊可以通過WiFi將燈光的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至涂鴉云平臺，當(dāng)涂鴉云平臺檢測到有數(shù)據(jù)變化時(shí)便會向綁定了此設(shè)備的手機(jī)推送燈光的狀態(tài)信息，手機(jī)上便可以顯示此時(shí)燈光的亮度和色彩等參數(shù)。需要對當(dāng)前燈光設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，用戶可通過手機(jī)APP將對應(yīng)的控制信號上傳至涂鴉云平臺，再由涂鴉云平臺定期推送數(shù)據(jù)到綁定的設(shè)備上，之后通過對數(shù)據(jù)幀的解析得到需要控制的變量和值，利用MCU輸出相應(yīng)的控制信號對燈帶進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)所用到的模塊和資源主要包括以下幾種：

（1）燈光設(shè)備：本系統(tǒng)使用的是型號為WS2812系列的燈帶。WS2812系列LED是一種內(nèi)部集成了控制電路和發(fā)光電路且可單點(diǎn)外控的LED發(fā)光裝置，每個(gè)元件就是一個(gè)發(fā)光的基本單位，構(gòu)成一個(gè)像素點(diǎn)；其內(nèi)部集成了R、G、B三種顏色的LED燈珠，還有一個(gè)帶有數(shù)據(jù)鎖存和整形功能的控制電路。此燈帶采用單線歸零碼作為驅(qū)動信號，每位歸零碼的高低電平持續(xù)時(shí)間見表1所列。每個(gè)元件在Din信號輸入端接收控制設(shè)備發(fā)送的單線歸零碼控制信號，讀取出其中的數(shù)據(jù)后將自身的數(shù)據(jù)鎖存起來；之后將后續(xù)的信號經(jīng)過整形電路整形后從Dout信號輸出引腳發(fā)送給下一個(gè)元件，從而保證可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)燈珠的級聯(lián)控制。

表1 WS2812B歸零碼規(guī)則

（2）WiFi模塊：本系統(tǒng)使用的是涂鴉智能公司提供的WiFi模塊，此模塊內(nèi)部集成了WiFi協(xié)議相關(guān)的庫函數(shù)，使用串口與外部進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了透傳的功能。同時(shí)此模塊還提供了WiFi通信中較為常見的Smart配網(wǎng)模式和AP配網(wǎng)模式。如圖2所示，涂鴉模塊在初始化完成后會根據(jù)不同的配網(wǎng)模式做出不同行為。處于AP配網(wǎng)模式時(shí)模塊會作為一個(gè)熱點(diǎn)，手機(jī)可以連接這個(gè)熱點(diǎn)并將設(shè)備所處環(huán)境中可用的WiFi信息發(fā)送給模塊；處于Smart配網(wǎng)模式下的模塊需要不斷監(jiān)聽當(dāng)前環(huán)境中的所有數(shù)據(jù)包，這就需要手機(jī)不斷向當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)送可用的WiFi信息。當(dāng)模塊通過以上兩種方式中的任意一種接收到WiFi信息后會通過此信息登錄此WiFi路由器，登錄成功并連接上WiFi后涂鴉模塊會自動連接涂鴉云平臺。至此涂鴉WiFi模塊的配置全部完成。

圖2 涂鴉模塊配網(wǎng)過程

（3）涂鴉云：是由涂鴉智能公司開發(fā)的云端數(shù)據(jù)平臺，有存儲數(shù)據(jù)和推送消息的功能；它不僅可以接收來自WiFi模塊的狀態(tài)信息，還可以接收來自手機(jī)的控制信息，并將對應(yīng)的信息發(fā)送給對應(yīng)的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的可讀和可控，如圖3所示。

圖3 狀態(tài)和控制數(shù)據(jù)流動示意圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LED燈帶驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用的WS2812B燈帶的驅(qū)動信號是單線的歸零碼信號，需要達(dá)到納秒級別的精度；經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的I/O翻轉(zhuǎn)輸出或定時(shí)器輸出時(shí)，都會因調(diào)用系統(tǒng)資源過多導(dǎo)致時(shí)序不符合燈帶歸零碼的需求，進(jìn)而無法控制。然而，STM32芯片內(nèi)部的SPI通信功能可以達(dá)到較高的電平翻轉(zhuǎn)速度，只需對SPI發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)即可模擬歸零碼的波形。通過查詢STM32F103系列芯片的數(shù)據(jù)手冊得知，SPI是掛載在APB2時(shí)鐘總線上的，最高頻率為72 MHz，將其進(jìn)行八分頻，得到9 MHz，即相鄰兩位之間時(shí)間差為1/9 MHz=111.11 ns，將此頻率作為采樣頻率，設(shè)置數(shù)據(jù)寬度為8位，經(jīng)過計(jì)算發(fā)送的數(shù)據(jù)為5位1和3位0，恰好可以表示歸零碼的1碼。

設(shè)計(jì)了一個(gè)以燈帶LED燈珠個(gè)數(shù)為長度的數(shù)組，每次需要刷新數(shù)據(jù)時(shí)，先對數(shù)組中的每一個(gè)元素進(jìn)行賦值計(jì)算；準(zhǔn)備好這個(gè)數(shù)組后通過DMA的方式直接將數(shù)組中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到SPI發(fā)送的緩沖區(qū)中，SPI便可以按照數(shù)據(jù)依次進(jìn)行發(fā)送，模擬出歸零碼的波形。

2.2 色彩空間轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的WS2812B燈帶的控制信號是24位的RGB數(shù)據(jù)，而涂鴉模塊向接口提供的是HSV數(shù)據(jù)，這就需要對兩種顏色空間的變量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中使用如下公式將HSV顏色轉(zhuǎn)換為RGB顏色，以實(shí)現(xiàn)對燈帶的控制。

2.3 燈帶遙控的實(shí)現(xiàn)

涂鴉智能公司除了提供WiFi模塊外，還提供了相應(yīng)的SDK包，內(nèi)部封裝了涂鴉模塊數(shù)據(jù)幀的封包和解包庫函數(shù)，并向上層調(diào)用者提供了不同控制操作的接口。在接收到對應(yīng)的控制信號時(shí)便可以調(diào)用對應(yīng)的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。

涂鴉SDK執(zhí)行順序如圖4所示。程序運(yùn)行時(shí)需要在main函數(shù)的while（1）循環(huán)中不斷調(diào)用wifi_uart_service函數(shù)，此函數(shù)會繼續(xù)調(diào)用data_handle函數(shù)，在此函數(shù)中判斷接收到的串口數(shù)據(jù)幀的類型，如心跳包、產(chǎn)品信息、WiFi工作狀態(tài)、命令下發(fā)和狀態(tài)上報(bào)。如果是命令下發(fā)的數(shù)據(jù)幀便會繼續(xù)調(diào)用data_point_handle函數(shù)，此函數(shù)會對一些異常條件進(jìn)行判斷。如果數(shù)據(jù)正常，則會進(jìn)入dp_download_handle函數(shù)中，此函數(shù)對具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)調(diào)用了不同的處理函數(shù)，如開關(guān)處理的指令就會調(diào)用dp_download_switch_led_handle函數(shù)，用戶需要在這個(gè)函數(shù)中編寫自己的邏輯代碼，當(dāng)開關(guān)布爾值為0時(shí)，關(guān)閉所有燈光；布爾值為1時(shí)，打開所有燈光，并且默認(rèn)顏色為白光。

圖4 涂鴉SDK執(zhí)行順序

對于彩燈的色彩數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的處理，因?yàn)槟K發(fā)送的是HSV色彩空間的色彩數(shù)據(jù)，且為ASCII碼的形式。先將ASCII碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的形式，如果為0x30至0x39之間的數(shù)據(jù)，即為字符0至9，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的0x00至0x09；如果為0x41至0x46，即字符A至F，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的0x0A至0x0F；如果為0x61至0x66，即字符a至f，也轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的0x0A至0x0F，忽略了數(shù)據(jù)的大小寫字符問題。涂鴉串口協(xié)議規(guī)定了HSV三個(gè)分量的范圍分別是0～360、0～1 000和0～1 000，但是轉(zhuǎn)換公式中S和V的范圍是0～1，所以需要將S和V兩個(gè)分量歸一化到0～1，分別除以1 000即可得到。得到歸一化的HSV三個(gè)分量后就可以調(diào)用HSV與RGB顏色空間的轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后根據(jù)轉(zhuǎn)換后的RGB值為數(shù)組的每一位進(jìn)行賦值，再啟動SPI發(fā)送，將顏色數(shù)據(jù)發(fā)送給每一位LED燈珠。

3 系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)連接測試

保證WiFi連接的高效可靠是實(shí)現(xiàn)后續(xù)控制的基礎(chǔ)，也是本系統(tǒng)的核心功能，關(guān)系到之后的控制命令和狀態(tài)信息能否順利傳輸。

3.1.1 配網(wǎng)功能測試

首先需要為設(shè)備建立一個(gè)信號質(zhì)量良好的WiFi環(huán)境，同時(shí)打開手機(jī)上的涂鴉APP，打開自動搜索功能，將設(shè)備上電。此時(shí)系統(tǒng)上的LED燈會短暫閃爍，表示此時(shí)處于AP配網(wǎng)模式；接下來手機(jī)端提示已找到設(shè)備，將WiFi的賬號和口令填入對話框中，等待涂鴉模塊連接好路由器并登錄涂鴉云后，可觀察到LED燈處于常亮的狀態(tài)，表示涂鴉模塊已經(jīng)完成了登錄涂鴉云的步驟，同時(shí)手機(jī)端也會顯示出控制面板。

3.1.2 斷電重連測試

涂鴉WiFi模塊內(nèi)部有存儲數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間，可以將上次配置好的WiFi信息保存下來，在斷電后重新上電時(shí)會自動使用內(nèi)存中的WiFi信息去連接。

在模塊已經(jīng)配置好WiFi連接后斷開系統(tǒng)的電源線，等待一段時(shí)間后重新連接電源線，此時(shí)LED燈還是處于熄滅的狀態(tài)，稍等片刻后LED燈會常亮，表示已經(jīng)完成了連接路由器和登錄涂鴉云的步驟，之后操控手機(jī)APP面板，也可以控制燈光設(shè)備的狀態(tài)。

3.2 燈光控制功能測試

在涂鴉模塊連接好WiFi的狀態(tài)下，點(diǎn)擊手機(jī)APP面板上的開關(guān)，如圖5所示，燈光亮起，再次點(diǎn)擊開關(guān)，燈光熄滅，同時(shí)手機(jī)面板上的圖標(biāo)狀態(tài)也會同步切換為關(guān)閉的樣式；點(diǎn)擊不同顏色的按鈕，燈光會切換為對應(yīng)的顏色，手機(jī)面板同樣會切換為對應(yīng)顏色的狀態(tài)；調(diào)整燈光亮度的進(jìn)度條，燈光會隨之變亮或變暗。

圖5 手機(jī)涂鴉APP控制界面

4 結(jié) 語

本文針對當(dāng)前燈光控制設(shè)備的智能化程度不高及能耗較高問題，對現(xiàn)有燈光控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)查分析，研究了當(dāng)前WiFi通信的實(shí)現(xiàn)方案；利用能耗相對較低的LED型光源及涂鴉智能公司推出的WiFi模塊，使用STM32F103C8T6作為主控芯片，并將控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)交給涂鴉云數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行管理和推送，從而設(shè)計(jì)了一種可以遠(yuǎn)程遙控?zé)艄庠O(shè)備的系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，通信效果良好，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能。