唐遠(yuǎn)鴻　李巖　李菲　葉伏秋　孫晶

【摘 要】本文以最普遍的Android系統(tǒng)為平臺(tái)，結(jié)合Eclipse開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)了一款操作簡(jiǎn)單、功能齊全、界面友好的室內(nèi)智能LED（Light-emitting diode）照明系統(tǒng)。在技術(shù)上，結(jié)合LED照明、無線WiFi（Wireless Fidelity）網(wǎng)絡(luò)、通訊和自動(dòng)化控制等多項(xiàng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)LED照明的智能化控制，達(dá)到LED燈具組的燈光自啟、切景設(shè)置和燈光亮度、色溫自主調(diào)節(jié)的效果。本系統(tǒng)主要由Android智能終端，ESP8266智能WiFi模塊、AP節(jié)點(diǎn)和LED燈具組四部分組成，具有操作簡(jiǎn)單，成本低及良好可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】WiFi；LED；ESP8266；智能照明

The design and realization of LED lighting inteligent control system in WIFI Environment

TANG Yuan-hong LI Yan LI Fei YE Fu-qiu SUN Jing

（College of Physics and Mechanical Engineering， Jishou University， Jishou Hunan 416000， China）

【Abstract】A simple， full-featured and user-friendly indoor intelligent LED（Light-emitting diode） illumination client software is designed through the Android platform and the developement software of Eclipse which is most common smart phones system in this paper. In the technology， combining with the lighting of LED， wireless network， communication， automation controlling and so on， we achieved the intelligent control of LED lighting， the auto starts， the setting of situation and the auto regulation of the luminance and color temperature of the LED lamps. This system is consisted of four parts which include the intelligent terminal of Android， the ESP8266 intelligent WIFI modules、the node of AP and LED lamps， it has the characteristics of simple operation， low cost and good expansibility.

【Key words】WiFi； LED； ESP8266； Intelligent lighting

0 引言

近年來，隨著光電子技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、控制工程信號(hào)處理元器件以及新型半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)展，LED（Light-emitting diode）照明技術(shù)的不斷進(jìn)步得到了各國(guó)的普遍重視，目前已被視為具有影響力和發(fā)展前景的一項(xiàng)新技術(shù)[1]。LED具有重量輕、體積小、節(jié)能、方向性好、動(dòng)態(tài)變幻、壽命長(zhǎng)、抗振、色彩豐富等優(yōu)勢(shì)而普遍適用于各種照明環(huán)境，隨著LED光源技術(shù)、LED照明燈具、控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新，在很大程度上改變了傳統(tǒng)的照明理念，使得LED照明向更加智能化的方向發(fā)展，包括LED照明的節(jié)能化、健康化、藝術(shù)化和人性化。隨著社會(huì)需求的不斷變化，促使傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)逐漸演變?yōu)楫?dāng)今融合各種計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、微波電子以及傳感器技術(shù)的智能照明系統(tǒng)[2-3]。如今市面上已經(jīng)出現(xiàn)許多通過物聯(lián)網(wǎng)控制LED照明的電子產(chǎn)品，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較先進(jìn)，覆蓋范圍較寬。智能終端的大量出現(xiàn)，使得WiFi（Wireless Fidelity）無線網(wǎng)絡(luò)得到普及，人們現(xiàn)在已經(jīng)非常習(xí)慣和熟練使用基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的多種產(chǎn)品[4]。并且采用簡(jiǎn)單的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成獨(dú)立的WiFi局域網(wǎng)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單且信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)[5]。

隨著現(xiàn)代照明技術(shù)不斷進(jìn)步和WiFi應(yīng)用大眾化，基于WiFi環(huán)境下的智能照明設(shè)施的價(jià)格將會(huì)逐漸降低，也會(huì)越來越受到普通民眾的青睞。

本文在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上對(duì)LED照明和WiFi技術(shù)做進(jìn)一步研究拓展，將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，使人們僅僅使用智能手機(jī)即可方便快捷的控制。本文提出了基于WiFi環(huán)境下LED照明智能化控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案，利用WiFi作為信號(hào)傳輸?shù)妮d體，ESP8266作為系統(tǒng)的控制中心，三基色LED作為照明燈具，從而實(shí)現(xiàn)WiFi環(huán)境下對(duì)目標(biāo)LED照明燈具組遠(yuǎn)程無線調(diào)光。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述

根據(jù)WiFi局域網(wǎng)控制的研究現(xiàn)狀及相關(guān)的應(yīng)用情況，結(jié)合LED照明、無線WiFi網(wǎng)絡(luò)、通訊和自動(dòng)化等多項(xiàng)技術(shù)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)LED照明的智能化控制，達(dá)到LED燈具組的燈光自啟、切景設(shè)置和燈光亮度、色溫的自主調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)部分：

（1）負(fù)責(zé)傳輸控制信號(hào)的AP節(jié)點(diǎn)。結(jié)合無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)特點(diǎn)及運(yùn)作方式，建立WiFi局域網(wǎng)環(huán)境，它是控制信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)妮d體，使各系統(tǒng)間建立穩(wěn)定、良好的信道。

（2）WiFi燈控節(jié)點(diǎn)。此部分主要由ESP8266模塊和三基色LED燈具組構(gòu)成。結(jié)合接入點(diǎn)模塊的功能和實(shí)現(xiàn)原理，完成接入點(diǎn)功能模塊的硬件設(shè)計(jì)；設(shè)置接收端口，接受用戶的目標(biāo)指令；設(shè)置LED恒流驅(qū)動(dòng)裝置，向LED燈具組傳輸響應(yīng)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

（3）智能手機(jī)終端?；贓clipse軟件開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用Java語(yǔ)言進(jìn)行用戶控制軟件開發(fā)，通過相關(guān)程序編寫，形成一個(gè).apk文件，下載至智能手機(jī)終端，安裝得一款A(yù)PP軟件。它是用戶進(jìn)行系統(tǒng)控制的主要設(shè)備，相當(dāng)于遙控裝置。

系統(tǒng)終端通信功能的實(shí)現(xiàn)主要包含兩方面內(nèi)容：一是，通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)建立起智能手機(jī)終端和無線控制模塊之間的通信；二是，通過串口實(shí)現(xiàn)WiFi模塊與CPU內(nèi)核之間通信。

系統(tǒng)終端控制功能的實(shí)現(xiàn)是通過ESP8266模塊完成的。首先，ESP8266將通過串口接收到智能手機(jī)客戶端發(fā)來的具體指令信息，然后對(duì)指令內(nèi)容進(jìn)行解析，并向三基色LED恒流驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)三種顏色燈珠亮度的自主調(diào)節(jié)。具體的WiFi燈控系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 WiFi燈控系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

Fig.1 The general framework of the WiFi light control system

2 燈控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是以ESP8266為燈控節(jié)點(diǎn)的主要控制芯片。此芯片采用的是樂鑫智能互聯(lián)平臺(tái)提供的ESP8266無線WiFi模塊，它擁有高性能無線SOC，使無線平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)變得實(shí)用、方便。ESP8266為系統(tǒng)提供了一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立地運(yùn)行、處理相關(guān)指令。作為控制系統(tǒng)的主要芯片，ESP8266還具有透明傳輸功能；它能通過無線網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)，卻不修改數(shù)據(jù)，直接傳送到下一端，使得接收方接到數(shù)據(jù)內(nèi)容和長(zhǎng)度一致的數(shù)據(jù)，傳輸過程如同透明一樣，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要運(yùn)用ESP8266作為控制中心，它不僅要完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，還要通過CPU內(nèi)核對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以向下一端口輸送PWM控制信號(hào)，CPU內(nèi)核是ESP8266數(shù)據(jù)處理中心。

AP協(xié)調(diào)器作為系統(tǒng)中繼——連接WiFi燈控點(diǎn)和Android智能手機(jī)終端的橋梁，對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析處理，其功能類似服務(wù)器的作用[6]。AP協(xié)調(diào)器需要儲(chǔ)存所有燈的信息，同時(shí)接收從客戶端不斷傳來的響應(yīng)信號(hào)，以作用于ESP8266模塊執(zhí)行命令，從而調(diào)節(jié)LED燈具組的亮度和色溫。

整個(gè)燈控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要用到一個(gè)220V交流轉(zhuǎn)5V直流的變壓模塊，一個(gè)5V直流轉(zhuǎn)3.3V模塊（AMS1117），以實(shí)現(xiàn)對(duì)ESP8266WiFi模塊和模擬LED燈具組供電。單個(gè)完整的LED智能照明系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示，PCB制板圖如圖3所示。本系統(tǒng)共由3個(gè)這樣的小系統(tǒng)構(gòu)成，通過手機(jī)客戶端能實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)小系統(tǒng)的同時(shí)控制。

圖2 LED智能照明系統(tǒng)的電路原理圖

Fig.2 The schematic circuit diagram of the LED intelligent light system

圖3 PCB制板圖

Fig.3 The diagram of printed circuit board

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是基于Android平臺(tái)開發(fā)，Android提供多種連接選項(xiàng)，包括WiFi、藍(lán)牙和通過蜂窩（cellular）連接的無線數(shù)據(jù)傳輸（例如，GPRS、EDGE和3G）。Android是一個(gè)開放的手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)，為移動(dòng)用戶端提供了一個(gè)包含應(yīng)用程序、中間件以及操作系統(tǒng)的軟件疊層架構(gòu)[7]。Eclipse是基于Java的、開放源代碼的可擴(kuò)展集成開發(fā)平臺(tái)，它最初由IBM公司投入開發(fā)。Eclipse擁有免費(fèi)、源代碼開放、無限的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為本系統(tǒng)的軟件編寫提供了便利的條件。本系統(tǒng)運(yùn)用Java語(yǔ)言，借助Eclipse軟件編寫控制程序，并最終形成.apk文件，下載至手機(jī)，得到一個(gè)手機(jī)APP軟件，借助這個(gè)軟件便能對(duì)ESP8266模塊進(jìn)行控制。編譯完成后可在電腦上模擬，當(dāng)編譯程序達(dá)到預(yù)期要求，可生成.apk文件，即手機(jī)客戶端軟件。安裝至手機(jī)客戶端后用戶可根據(jù)需要進(jìn)行操作。

手機(jī)客戶端節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。進(jìn)入用戶控制軟件，上電初始化后，搜索當(dāng)前運(yùn)行硬件設(shè)備，發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)信號(hào)，輸入正確SSID和密碼，加入成功后開始執(zhí)行用戶控制指令，完成對(duì)LED燈具的色溫和亮度的調(diào)節(jié)，并返回系統(tǒng)所處當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖4 手機(jī)客戶端節(jié)點(diǎn)流程圖

Fig.4 The flow chart of mobile client node

4 系統(tǒng)測(cè)試

調(diào)試軟件成功，接通電源，將LED燈具組接入預(yù)定WiFi網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)燈具組的實(shí)時(shí)控制，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。本系統(tǒng)經(jīng)過一系列調(diào)試和測(cè)試，根據(jù)WiFi無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)特點(diǎn)及運(yùn)作方式，建立基于Java語(yǔ)言控制發(fā)射為基礎(chǔ)的WiFi模式局域網(wǎng)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線通信LED燈控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括LED燈控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、Java語(yǔ)言控制下單片機(jī)的工作模式設(shè)計(jì)、以及整體LED燈具組的合理布局設(shè)計(jì)，保證了LED照明系統(tǒng)能正常運(yùn)作；最終實(shí)現(xiàn)LED照明的智能化控制，達(dá)到LED燈具組的燈光自啟、切景設(shè)置和燈光亮度、色溫的自主調(diào)節(jié)。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

Fig.5 The performance results

5 總結(jié)

本文提出了一種基于WiFi環(huán)境下LED照明智能化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試；介紹了AP協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、WiFi燈控節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)終端軟件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有價(jià)格低廉、穩(wěn)定性良好、開發(fā)周期短、便于維護(hù)安裝等優(yōu)點(diǎn)。總的來說基于WiFi環(huán)境下對(duì)LED照明的智能控制系統(tǒng)將會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)前景，它的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與綠色節(jié)能無疑會(huì)給我們的社會(huì)與生活帶來深遠(yuǎn)的影響。

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[責(zé)任編輯：王楠]