基于WiFi和移動終端的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計

何永玲++吳耀龍

摘 要：為解決現(xiàn)有系統(tǒng)無法遠(yuǎn)程控制和根據(jù)現(xiàn)場情況自動調(diào)節(jié)燈光亮度等問題，文中設(shè)計了一個單片機(jī)控制系統(tǒng)、Web服務(wù)器、Android客戶端三位一體的智能照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心，利用Android手機(jī)和Web服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可隨時隨地通過手機(jī)App對室內(nèi)或樓宇的燈光進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，實現(xiàn)定時開關(guān)燈、無極調(diào)光、紅外感應(yīng)控制、智能節(jié)能調(diào)光、多節(jié)點自由控制等功能，非常適合移動終端的遠(yuǎn)程控制和自動調(diào)節(jié)燈光的場合。

關(guān)鍵詞：智能照明；WiFi；Android；STM32；Web服務(wù)器

中圖分類號：TP393；TN926 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-0-03

0 引 言

獨立的照明控制已經(jīng)發(fā)展成熟，但很多時候使用者無法準(zhǔn)確根據(jù)情況設(shè)置控制參數(shù)。如果照明系統(tǒng)的使用環(huán)境情況多變，僅僅靠非專業(yè)的使用者來調(diào)節(jié)控制，則無法達(dá)到最佳的使用效果。而且任何控制都要在現(xiàn)場進(jìn)行，非常不方便。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，使用者可以利用遠(yuǎn)程移動和通信設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)對室內(nèi)照明設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控和控制，通過傳感器及微處理控制系統(tǒng)，使物聯(lián)網(wǎng)的照明系統(tǒng)能夠“感知”環(huán)境，并根據(jù)外界情況的變化做出相應(yīng)調(diào)整，為用戶提供方便高效的服務(wù)。

本文以設(shè)計智能照明系統(tǒng)為目標(biāo)，結(jié)合時下最流行的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)思路，將燈光的操控不局限于本地，設(shè)計了一個單片機(jī)控制系統(tǒng)、Web服務(wù)器、Android客戶端三位一體的智能照明控制系統(tǒng)。采用C語言和Java語言分別編寫單片機(jī)應(yīng)用程序、App程序和服務(wù)器端程序，通過安卓移動設(shè)備達(dá)到遠(yuǎn)程控制室內(nèi)LED燈的開關(guān)、亮度以及智能調(diào)光等目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)是一個可遠(yuǎn)程遙控室內(nèi)燈光智能動作的控制系統(tǒng)，主要包含了控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)兩大部分。通信系統(tǒng)采用WiFi模塊與服務(wù)器建立TCP鏈接后，通過HTTP協(xié)議來完成單片機(jī)和服務(wù)器的信息交互。安卓客戶端也通過HTTP協(xié)議和服務(wù)器進(jìn)行信息交互，通過服務(wù)器將安卓客戶端的請求間接轉(zhuǎn)向單片機(jī)，單片機(jī)再將獲得的數(shù)據(jù)解析后生成相應(yīng)的指令進(jìn)行動作。

路由器建立一個WiFi熱點，單片機(jī)端的WiFi模塊以STATION模式接入該熱點，Tomcat服務(wù)器搭在本機(jī)電腦也接入該熱點。為了保證通信安全，網(wǎng)絡(luò)采用WPA2加密方式。當(dāng)路由器通過家庭寬帶連接上Internet，并在云端發(fā)布服務(wù)器程序后，手機(jī)客戶端可以直接通過本機(jī)的GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問單片機(jī)客戶端，不需要連接局域網(wǎng)的WiFi熱點。本系統(tǒng)的設(shè)計總架構(gòu)圖如圖1所示。

圖 1 室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以ARM單片機(jī)STM32F103ZET6作為本系統(tǒng)的主控芯片，單片機(jī)通過串口WiFi接收到了服務(wù)器的響應(yīng)信息后，通過內(nèi)置DMA轉(zhuǎn)存到內(nèi)存當(dāng)中，CPU再將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出并解析為對應(yīng)的控制指令和數(shù)據(jù)信息，將手機(jī)傳遞過來的數(shù)據(jù)和單片機(jī)讀取到的本地實時時間數(shù)據(jù)都顯示到OLED屏上，單片機(jī)通過判斷動作指令來決定是否開燈關(guān)燈以及調(diào)光。當(dāng)檢測到有開啟智能模式的指令后，則啟動光照傳感器，讀取當(dāng)前的照度信息，根據(jù)照度信息控制PWM調(diào)光驅(qū)動輸出當(dāng)前所需要的室內(nèi)燈光亮度。紅外檢測電路則通過一個S8050三極管構(gòu)成放大電路將紅外模塊的輸出信號進(jìn)行放大后輸出到繼電器模塊，通過繼電器模塊的吸合與斷開來控制當(dāng)前燈光的亮滅。本系統(tǒng)由STM32單片機(jī)模塊、DS1302實時時鐘模塊、OLED12864液晶顯示模塊、BH1750FVI數(shù)字光照傳感器模塊、HC-SR501人體紅外模塊、PWM調(diào)光驅(qū)動模塊和ESP8266WIFI模塊組成。系統(tǒng)總設(shè)計框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計主要為單片機(jī)主控端的程序設(shè)計、服務(wù)器端的程序設(shè)計和Android手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計。為了使單片機(jī)、服務(wù)器、Android客戶端的數(shù)據(jù)通信一致，采用自定義通信的協(xié)議，該數(shù)據(jù)幀一共由14位數(shù)字字符組成，其通信格式如圖3所示。

（1）bit0/bit2：燈1/2的開或關(guān)，‘0代表關(guān)，‘1代表開；

（2）bit1/bit3：燈1/2的調(diào)光值，范圍為‘0‘9，對應(yīng)單片機(jī)的PWM值為該數(shù)值×比例系數(shù)；

（3）bit4-bit7/bit8-bit11：表示燈光開啟/關(guān)閉的時間（小時：分鐘）；

（4）bit12/bit13：表示智能模式/定時模式的開或關(guān)，‘0代表關(guān)，‘1代表開。

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)先初始化各模塊，然后以500 ms間隔發(fā)送HTTP請求，將服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi串口接收，再通過DMA轉(zhuǎn)存到內(nèi)存中。單片機(jī)通過讀取對應(yīng)位置的內(nèi)存數(shù)據(jù)即可解析到相應(yīng)模塊的控制指令，進(jìn)入不同的設(shè)置狀態(tài)。單片機(jī)主程序流程如圖4所示。

2.2 服務(wù)器程序設(shè)計

本設(shè)計的服務(wù)器程序中主要包括了兩個Servlet，分別為ControlServlet和ProviderServlet。ControlServlet服務(wù)程序用來接收Android客戶端的HTTP請求，ProviderServlet服務(wù)程序用來接收單片機(jī)的HTTP請求。服務(wù)器響應(yīng)過程圖如圖5所示。首先當(dāng)單片機(jī)和Android客戶端與服務(wù)器建立TCP連接后，會發(fā)送HTTP請求到服務(wù)器，二者請求的URL地址以及參數(shù)都不一樣。服務(wù)器一直處于等待狀態(tài)，當(dāng)ControlServlet接收到來自Android客戶端的GET請求后，服務(wù)器會通過ControlServlet來讀取GET參數(shù)，然后將參數(shù)存放到ServletContext域中，當(dāng)單片機(jī)同樣發(fā)出GET請求到ProviderServlet后，服務(wù)器則會將ServletContext域中的數(shù)據(jù)作為響應(yīng)參數(shù)發(fā)回給單片機(jī)。

2.3 Android程序設(shè)計

本文設(shè)計的Android客戶端主要采用Activity組件。通過自定義協(xié)議將用戶設(shè)置的參數(shù)信息封裝成字符串?dāng)?shù)據(jù)，最終將其拼接在URL地址后，形式如：192.168.1.100：8080/demo/Control Provider？controlMessage=“11111111111111”，具體程序流程如圖6所示。

啟動了App后，會進(jìn)入動畫界面，同時會對用戶的控制界面進(jìn)行布局加載，加載完成后就會出現(xiàn)各種控件，并且為控件都設(shè)置了監(jiān)聽事件，當(dāng)用戶點擊了相應(yīng)的控件后，便會觸發(fā)一次事件，在該事件中，將會完成對控制指令的封裝，封裝完成后作為URL參數(shù)以GET的方式發(fā)送HTTP請求給服務(wù)器。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)App的設(shè)置，可以在OLED屏幕上同步看到設(shè)置的信息數(shù)據(jù)，說明安卓App已經(jīng)成功控制了照明系統(tǒng)。這里設(shè)置了開啟的時間為15：37，關(guān)閉的時間為16：22，等待觀察，系統(tǒng)確實在設(shè)定時間將LED燈開啟與關(guān)閉，其實物圖與界面圖如圖7所示。開啟智能模式后，模型里L(fēng)ED的燈光亮度會隨著當(dāng)前室外的燈光變化而變化，當(dāng)室外燈光較亮?xí)r，室內(nèi)燈光的亮度則會階梯降低，節(jié)約電能，其實物演示圖如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文完成了一個可遠(yuǎn)程遙控室內(nèi)燈光智能動作的控制系統(tǒng)，包括完整的硬件和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是基于一個一房一廳的燈光控制模型，有兩套單片機(jī)客戶控制終端；軟件系統(tǒng)則實現(xiàn)了各類數(shù)據(jù)通信和控制功能，主要包括：

（1）單片機(jī)主控端的控制軟件；

（2）服務(wù)器端的控制軟件；

（3）Android手機(jī)應(yīng)用軟件等。

通過實物演示和檢測，該作品完成了初設(shè)的各項功能指標(biāo)，使用方便，為生活提供了便利，改善了環(huán)境質(zhì)量，有待進(jìn)一步研發(fā)和推廣。

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