基于NodeMCU的帶故障自診斷功能的LED遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)※

劉天宋，姜楠，史吉祥

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇常州 213025）

0 引言

低功耗、高效的照明控制系統(tǒng)在節(jié)能降耗的時(shí)代背景要求下越來越受到歡迎。因此研究一種節(jié)能的控制系統(tǒng)具有很大的研究意義和商業(yè)價(jià)值。例如，劉晉等［1］針對目前路燈存在的功耗高、沒有有效控制手段等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了時(shí)控及光控的校園LED節(jié)能路燈，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。陳李華［2］結(jié)合實(shí)例，介紹了光亮工程的節(jié)能與智能控制，并對燈具安裝實(shí)施作了簡單說明。周韜等［3］用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種基于LED光源的新型的均勻照明系統(tǒng)，并以STC89C52RC單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了由人體紅外和自然光照強(qiáng)度控制的LED路燈。

然而，隨著人工成本的不斷增加，對照明系統(tǒng)的監(jiān)管和控制越來越傾向于自動(dòng)化［4］。既能滿足節(jié)能要求，同時(shí)又兼顧自動(dòng)診斷故障功能，避免因損壞而長久失修現(xiàn)象出現(xiàn)的LED控制系統(tǒng)卻較為少見。針對上述問題，本文采用NodeMCU作為核心控制芯片，通過人體熱釋電傳感器和光敏傳感器，來控制LED的開關(guān)和亮度，以達(dá)到節(jié)能目的。利用物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，來及時(shí)接收LED控制系統(tǒng)的故障提醒信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對LED的遠(yuǎn)端控制。本文首先介紹了文章背景；然后，對基于NodeMCU的帶故障自診斷功能的LED遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了說明；接著介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)；最后介紹了系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。LED控制系統(tǒng)以NodeMCU為核心，通過人體熱釋電模塊檢測周圍環(huán)境中是否有人，決定LED的開關(guān)；通過光敏模塊采集環(huán)境光線亮度，進(jìn)而通過PWM控制LED的亮度。NodeMCU通過WiFi可以與巴法云平臺(tái)連接，再通過該平臺(tái)向微信推送故障；同時(shí)也可以通過WiFi與Blinker服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端Blinker App對設(shè)備的控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 NodeMCU

控制系統(tǒng)的核心采用的是NodeMCU［5-6］，一款開源快速硬件原型平臺(tái)，包括固件和開發(fā)板，如圖2所示。它使用Lua腳本語言編程，也可使用Arduino IDE進(jìn)行編程和下載。其具有GPIO、PWM、I2C、1-Wire、ADC等功能，包含了可以運(yùn)行在ESP8266 WiFi SoC芯片之上的固件，以及基于ESP-12模組的硬件，如圖3所示。數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接。主要有3種模式：（1）AP模式，該模式提供無線接入服務(wù)，允許其他無線設(shè)備接入，提供數(shù)據(jù)訪問；（2）STA模式，該模式類似于無線終端，可以連接到AP，通俗地講，就像筆記本電腦或者手機(jī)一樣，搜索到無線網(wǎng)后連接；（3）AP+STA模式，即上述兩種方式的結(jié)合。

圖2 NodeMCU實(shí)物

圖3 ESP-12核心部分電路原理

2.2 光敏模塊電路設(shè)計(jì)

本文中系統(tǒng)包含了2路光敏模塊。其中，第1路光敏模塊采集環(huán)境光線強(qiáng)度，進(jìn)而控制LED亮度；第2路光敏模塊采集LED光線強(qiáng)度，然后用于LED燈故障診斷。第1路光敏模塊電路原理圖如圖4所示，其包含模擬量輸出端口（連接到NodeMCU的模擬量輸入端口A0）、數(shù)字量輸出端口（連接到NodeMCU數(shù)字量端口D0）。圖中R6為光敏電阻，其阻值可變，與R2組成串聯(lián)分壓電路。當(dāng)光線照射時(shí)，R6阻值發(fā)生變化，A0電壓值也發(fā)生變化。其電壓大小計(jì)算如下：

圖4 光敏模塊電路原理

LM393與周邊電阻R2、R6、R3組成一個(gè)電壓比較電路。調(diào)整電位器R3阻值后，當(dāng)光線變化時(shí)，引腳2上的電壓會(huì)產(chǎn)生變化，當(dāng)LM393引腳2電壓低于引腳3時(shí)，引腳1輸出高電平，反之輸出低電平。第2路光敏模塊電路原理圖和第1路相同。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行兩種模式。手動(dòng)狀態(tài)下，可以通過Blinker［7］開關(guān)LED或者調(diào)節(jié)LED亮度，也可檢測LED、光敏模塊等模塊是否正常工作。自動(dòng)運(yùn)行又包含了LED故障診斷、光敏模塊故障診斷、連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行報(bào)警等功能，如圖5所示。如有設(shè)備故障，系統(tǒng)將通過WIFI推送到微信，及時(shí)提醒用戶。

圖5 軟件功能

3.2 采集數(shù)據(jù)的處理

為避免環(huán)境影響對光敏模塊輸出的干擾，需對NodeMCU的A0端采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，本文采用滑動(dòng)均值濾波方法［8-9］。該方法思路是：新建一個(gè)數(shù)組，依順序存放N次采樣數(shù)據(jù)，每新采樣一個(gè)新的數(shù)據(jù)，則將數(shù)組中最早采集的數(shù)據(jù)摒棄，然后求數(shù)組內(nèi)N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。其基本步驟如下。

把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，假如第N次采樣后，得到該隊(duì)列中包含以下數(shù)據(jù)x［1］，x［2］，…，x［N］，對隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，得到輸出結(jié)果：

按照先進(jìn)先出原則，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并摒棄原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)。假如現(xiàn)在為第j+N次采樣，則得到一組新數(shù)據(jù)x［j］，x［j+1］，…，x［j+N］，再對隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，得到新的輸出結(jié)果：

經(jīng)過濾波后，A0端采樣數(shù)據(jù)變的更加平穩(wěn)，如圖6所示。顯然，點(diǎn)數(shù)越大即采樣次數(shù)N越大，得到的波形越平滑，但是系統(tǒng)的濾波延遲也越大。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目測試，本文中N取值為6。

圖6 移動(dòng)濾波前輸入信號

3.3 LED的亮度控制

LED調(diào)光器的原理有多種，例如，波寬控制調(diào)光（簡稱PWM），恒流電源調(diào)控和分組調(diào)控等方式。本文采用PWM調(diào)光方式，對LED燈組進(jìn)行控制。PWM［10-11］是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，通常用于電機(jī)調(diào)速、LED亮度調(diào)節(jié)。通過改變NodeMCU的I/O口輸出的方波的占空比從而獲得使用數(shù)字信號模擬成的模擬電壓信號。本文使用的PWM模塊如圖7所示。

圖7 PWM模塊

PID［12］控制算法是工業(yè)控制領(lǐng)域使用最廣泛的算法之一，PID控制分為模擬PID和數(shù)字PID，前者處理的是連續(xù)信號，后者處理的是離散信號。本文使用該算法對LED亮度的精確控制。PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法。LED的亮度PID控制系統(tǒng)框圖，如圖8所示。

圖8 LED的亮度PID控制

首先計(jì)算誤差e（t）如下：

然后對誤差e（t）分別進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，最后將這3種運(yùn)算的結(jié)果疊加在一起，得到PID控制器的控制輸出值u（t），在連續(xù)的時(shí)間域里，PID控制器的表達(dá)式如下：

式中：Kp為比例系數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；u（t）為PID控制輸出值；e（t）為采樣時(shí)刻輸入偏差值。

3.4 設(shè)備與服務(wù)器的連接

3.4.1 與巴法云的連接

巴法云服務(wù)器［13］采用TCP創(chuàng)客云作為中轉(zhuǎn)渠道，利用HTTP協(xié)議將云服務(wù)器與手機(jī)APP聯(lián)系起來。本文通過下述方法創(chuàng)建NodeMCU與巴法云的連接，并將消息發(fā)布到手機(jī)。

（1）注冊巴法云賬號后，在巴法云控制臺(tái)創(chuàng)建主題。

（2）編寫程序，使NodeMCU可以訂閱和發(fā)布主題，并下載。主要代碼如下：

＃define DEFAULT_STASSID＂xxxx＂//xxxx為WIFI名稱

＃define DEFAULT_STAPSW＂xxxxx＂//xxxxx為WIFI密碼

String uid=＂xxxxxx＂； //xxxxxx為用戶私鑰，巴法云控制臺(tái)獲取

String type=＂2＂；//1表示是預(yù)警消息，2表示設(shè)備提醒消息

String device=＂燈光2控制手機(jī)客戶端＂；//設(shè)備名稱

int delaytime=10；//設(shè)置閑置時(shí)間，單位是秒

String ApiUrl=＂http：//api.bemfa.com/api/wechat/v1/＂；//微信api網(wǎng)址

NodeMCU采集數(shù)據(jù)，上傳到服務(wù)器，發(fā)布消息。手機(jī)微信訂閱主題，即可實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。

3.4.2 與Blinker的連接

Blinker是一套專業(yè)且易用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，提供了服務(wù)器、應(yīng)用、設(shè)備端sdk支持。支持多藍(lán)牙、WiFi等方式通信。當(dāng)注冊Blinker與設(shè)備后，可以通過Arduino IDE編寫程序并下載到NodeMCU中，實(shí)現(xiàn)NodeMCU、手機(jī)APP和Blinker服務(wù)器端的相互連接。其核心代碼如下：

＃define BLINKER_WIFI//選擇連接方式

＃include＜Blinker.h＞

char auth［］=＂Your Device Secret Key＂；//設(shè)備密匙

char ssid［］=＂Your WiFi network SSID or name＂；//WIFI名稱

char pswd［］=＂Your WiFi network WPA password or WEP key＂；//WIFI密碼

BlinkerButton Button1（＂btn-abc＂）；//新建組件對象。根據(jù)需求，可以創(chuàng)建多個(gè)。

void button1_callback（const String & state）//回調(diào)函數(shù)

｛

｝

void setup（）//初始化Blinker

｛

Blinker.begin（auth，ssid，pswd）；

Blinker.attachData（dataRead）；//綁定回調(diào)函數(shù)

Button1.attach（button1_callback）；

｝

3.5 診斷功能實(shí)現(xiàn)

3.5.1 LED故障診斷功能

設(shè)備上電初始化后，首先判斷運(yùn)行模式，手動(dòng)模式下，開啟燈組后，PWM輸出最大值255，燈組以最大強(qiáng)度發(fā)光。自動(dòng)模式下，如檢測到周圍有人移動(dòng)，則根據(jù)環(huán)境光線強(qiáng)弱控制燈組的燈光強(qiáng)弱。若燈組出現(xiàn)故障不發(fā)光，電阻R6阻值發(fā)生變化，NodeMCU的端口D0將由高電平變?yōu)榈碗娖剑琋odeMCU發(fā)送信號到巴法云服務(wù)器，然后推送設(shè)備故障消息到微信客戶端。該功能流程如圖9所示。

圖9 LED功能診斷程序流程

推送程序主要代碼如下：

void doHttpStick（）｛ //微信消息推送函數(shù)

String pData；

pData=＂uid=＂+uid+＂&type=＂+type+＂&time=＂+delaytime+＂&device=＂+device+＂&msg=＂+msg；

http.begin（client2，ApiUrl）；

http.addHeader（＂Content-Type＂，＂application/x-www-form-urlencoded＂）；

int httpCode=http.POST（postData）；

String payload=http.getString（）；

http.end（）；｝

3.5.2 光敏電阻故障診斷

設(shè)備通過記錄一天不同時(shí)間光敏電阻的阻值變化，來對光敏電阻是否損壞進(jìn)行判斷。定義一個(gè)數(shù)組A=｛a0，a1，a2，a3，a4，a5｝，數(shù)組中各個(gè)元素ai代表每小時(shí)內(nèi)間隔10 min讀取到的NodeMCU的模擬量輸入端口A0的值。對于每個(gè)正整數(shù)i（0≤i≤4），數(shù)組的一階差分可以表示為：

顯然，當(dāng)Δai等于0或者趨向于0時(shí)，可以認(rèn)為間隔10 min讀取到的A0的值無變化：

進(jìn)一步的，通過式（7）計(jì)算一階差分的方差，來觀察NodeMCU的模擬量輸入端口A0的值變化情況。方差越大，數(shù)據(jù)的波動(dòng)越大，認(rèn)為光敏電阻工作處于正常狀態(tài)；方差越小，數(shù)據(jù)的波動(dòng)就越小，則認(rèn)為光敏電阻可能出現(xiàn)了故障。

4 試驗(yàn)測試

在手機(jī)上安裝Blinker App后，注冊設(shè)備，對設(shè)備在手動(dòng)狀態(tài)下和自動(dòng)狀態(tài)下分別進(jìn)行測試。通過串口監(jiān)測窗口，觀測到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接正常，獲取到了IP地址為192.168.43.107。通過遮擋LED，模擬燈泡損壞故障，觀察到系統(tǒng)發(fā)送了“燈2的燈泡可能損壞，請檢修”信息，微信在同一時(shí)間接收到了該故障信息。串口監(jiān)測窗口和微信界面分別如圖10和圖11所示。

圖10 系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送信息的串口監(jiān)視界面

圖11 微信推送故障信息界面

圖12所示為Blinker App的操作界面。通過點(diǎn)擊該界面按鈕，驗(yàn)證了設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)模式切換，開、關(guān)燈和亮度調(diào)節(jié)等功能。

圖12 Blinker App界面

5 結(jié)束語

本文基于開源的NodeMCU設(shè)計(jì)了節(jié)能、帶故障自診斷功能的LED遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以工作在手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式下。手動(dòng)模式下，可以遠(yuǎn)程遙控開燈、關(guān)燈和檢測LED是否出現(xiàn)損壞。自動(dòng)狀態(tài)下，可以根據(jù)環(huán)境變化調(diào)節(jié)開燈、關(guān)燈，調(diào)節(jié)燈光亮度，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，避免了無人燈現(xiàn)象的出現(xiàn)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)診斷系統(tǒng)中部分模塊是否存在故障的功能，并通過微信提醒用戶。通過對樣機(jī)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)；通過App操作LED開、關(guān)，自動(dòng)、手動(dòng)模式切換指令準(zhǔn)確，響應(yīng)迅速。當(dāng)系統(tǒng)中部分模塊存在故障時(shí)，微信API接收到的遠(yuǎn)程推送的故障信息準(zhǔn)確及時(shí)，滿足了使用要求。