蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院納米技術(shù)系 王 燕

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基于WIFI模塊的多路燈光控制系統(tǒng)開發(fā)

蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院納米技術(shù)系 王 燕

【摘要】本文主要介紹了基于WIFI模塊的多路電器燈光控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。 通過智能手機(jī)將命令發(fā)送給WIFI模塊，WIFI模塊根據(jù)從智能手機(jī)收到的命令控制相應(yīng)的LED燈，從而達(dá)到無線控制LED燈的開關(guān)，亮度，以及顏色的目的。

【關(guān)鍵詞】WIFI模塊；LED控制；智能手機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)

1 項(xiàng)目背景

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制等技術(shù)的發(fā)展，不僅人與人間的信息交流方式越來越豐富，人機(jī)交流，設(shè)備之間的交流方式也更加豐富?，F(xiàn)在出現(xiàn)了專門解決人機(jī)交流，設(shè)備之間交流技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。本文闡述了在物聯(lián)網(wǎng)平臺上，被廣泛普及的智能終端，將控制系統(tǒng)與智能手機(jī)相結(jié)合，從傳統(tǒng)的電腦平臺，轉(zhuǎn)化到更方便，更易操作，更普遍的智能移動(dòng)操作平臺上。

本文主要介紹燈光控制系統(tǒng)的軟硬件，通過在安卓手機(jī)上編寫的相應(yīng)控制軟件，利用無線信號，控制周圍的燈光，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化、無線化控制，達(dá)到智能家居，節(jié)約能源的目的。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

多路燈光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。由手機(jī)發(fā)送出來的控制命令，經(jīng)過路由器將命令發(fā)給燈具控制系統(tǒng)，燈具控制系統(tǒng)中WIFI模塊接受到命令后控制相關(guān)LED燈的開關(guān)，以及顏色和亮度的調(diào)節(jié)。

圖1　WIFI模塊的多路燈光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 燈具控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 LED燈亮度調(diào)節(jié)方法

LED燈亮度調(diào)節(jié)方法有轉(zhuǎn)換電阻、線性調(diào)節(jié)、PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)節(jié)等方法。本文中采用PWM調(diào)節(jié)方法。所謂脈沖寬度調(diào)制，就是在脈沖的頻率不變的情況下，改變占空比達(dá)到對輸出能量的平均值進(jìn)行控制的方法。控制LED工作的頻率不能太低，一般要大于100HZ，否則會感覺到燈光閃爍。

3.2 LED燈具控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案

為了能產(chǎn)生PWM信號采用了嵌入式WIFI模塊，所謂嵌入式WIFI模塊即在WIFI模塊中包括微控制器芯片、WIFI芯片、程序存儲器芯片、濾波器、第一晶振、第二晶振和電源開關(guān)管等相關(guān)硬件。本項(xiàng)目中采用的是漢楓公司的HF-LPB100芯片。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　HF-LPB100芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 LED燈具控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案

軟件部分包括智能機(jī)的應(yīng)用軟件部分和WIFI芯片的功能實(shí)現(xiàn)部分。WIFI芯片功能部分包括，WIFI模塊的底層驅(qū)動(dòng)，LED燈具的控制接口的實(shí)現(xiàn)，小型化TCP/IP協(xié)議棧和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的功能適配，以及錯(cuò)誤處理系統(tǒng)構(gòu)成。智能機(jī)側(cè)的應(yīng)用軟件部分包括智能機(jī)應(yīng)用軟件界面，TCP/IP協(xié)議適配，針對LED燈特殊功能定制（包括顏色/亮度的設(shè)定）等功能模塊構(gòu)成。軟件構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1 WIFI 芯片軟件功能模塊

WIFI芯片功能部分，建立起WIFI通訊連接之后接收智能機(jī)或者AP路由器傳來無線信號，經(jīng)過TCP/IP解析，透過WIFI模塊底層框架，將收到的信令傳遞給MCU微處理器，MCU將對應(yīng)的電平脈沖信號傳導(dǎo)到相應(yīng)的管腳，以驅(qū)動(dòng)LED二極管發(fā)光。

圖3　燈具控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成圖

由于使用的WIFI模塊是采用透傳式的工作方式，在智能機(jī)軟件和燈具的控制芯片之間事先達(dá)成通信/控制協(xié)議的前提下，大幅簡化了WIFI模塊內(nèi)部的工作邏輯，無須對于每個(gè)功能動(dòng)作做特殊的解析和定制，只要基于TCP/IP處理好通信流程，完成好通訊渠道的任務(wù)即可。

WIFI模塊接收到這些信令之后，在透傳模式下，傳遞給MCU微處理器，MCU微處理器將根據(jù)這些指令，按照事先協(xié)議的邏輯，控制各個(gè)PWM管腳端口。端口根據(jù)傳遞的信令內(nèi)容，調(diào)節(jié)輸出PWM信號的占空比。占空比的變化直接反映為LED燈具輸出電流的強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)對于LED燈具的顏色與亮度控制。

4.2 智能手機(jī)功能模塊

智能手機(jī)功能部分，提供友善易懂的控制界面，接收客戶的需求。建立設(shè)備之間的連接關(guān)系，并保持終端與設(shè)備之間持續(xù)連接的狀態(tài)。對于用戶的操作進(jìn)行解析，接收用戶命令，將客戶的操作邏輯轉(zhuǎn)化為模塊控制的AT命令（或者固有命令）。通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將這些指令發(fā)送給模塊，模塊和芯片在對于指令進(jìn)行反映，同時(shí)將取得的設(shè)備狀態(tài)，通過TCP/IP通路回傳智能手機(jī)終端。智能機(jī)的應(yīng)用軟件的網(wǎng)絡(luò)功能部分，將監(jiān)聽這些回信，如有更新將通知應(yīng)用程序側(cè)，以便及時(shí)更新界面的顯示內(nèi)容，將最新狀態(tài)通知用戶。

4.2.1 智能燈源控制手機(jī)軟件簡介

本文描述的軟件是針對安卓手機(jī)平臺的，其功能為搜索周圍可以適配的智能燈源設(shè)備，為用戶建立與指定智能燈源設(shè)備的固定無線連接，接收用戶指令控制燈源變化，同時(shí)實(shí)時(shí)反映智能燈源的最新狀態(tài)給用戶。

軟件實(shí)裝是由以下幾個(gè)功能模塊構(gòu)成：基本邏輯功能模塊，圖形界面設(shè)計(jì)模塊，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊，底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊，以及通用處理功能模塊。各個(gè)模塊之間相互聯(lián)系，協(xié)同完成軟件的整體功能。

4.2.2 基本邏輯功能模塊

本模塊實(shí)現(xiàn)了SmartLight智能燈源的主要控制功能。下面將敘述本模塊下屬各個(gè)主要功能Class的作用與實(shí)現(xiàn)方式。

WelcomeActivity類：

SmartLight智能燈源應(yīng)用的入口類，用戶在安卓手機(jī)上雙擊打開SmartLight應(yīng)用程序的時(shí)候，最先處理的執(zhí)行類。如果這個(gè)類是第一次執(zhí)行，它將在系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)建和初始化應(yīng)用程序的初始頁面，同時(shí)在手機(jī)界面上顯示歡迎信息。當(dāng)用戶點(diǎn)擊應(yīng)用界面時(shí)，內(nèi)部激活SplashActivity類，進(jìn)入開始動(dòng)畫顯示過程。如果不是第一次執(zhí)行，將直接挑轉(zhuǎn)到SplashActivity類，顯示開始動(dòng)畫，避免多次重載初始頁面。

DeviceManagerActivity類：

SplashActivity類顯示完啟動(dòng)動(dòng)畫之后，啟動(dòng)軟件的功能部分，調(diào)用DeviceManagerActivity類。DeviceManagerActivity類是用于確認(rèn)手機(jī)周邊設(shè)備的應(yīng)用類。

當(dāng)連接設(shè)備列表中沒有可用設(shè)備時(shí)，用戶可以通過點(diǎn)擊界面更新圖標(biāo)開啟新一輪的設(shè)備匹配過程。當(dāng)搜索到可用設(shè)備時(shí)，將設(shè)備信息追加到設(shè)備列表中，同時(shí)更新用戶頁面。

如果搜索到已經(jīng)登錄過的設(shè)備，將在界面中顯示該設(shè)備的信息，用戶點(diǎn)單擊該設(shè)備時(shí)，將會調(diào)用DeviceMainActivity類，進(jìn)入該設(shè)備的詳細(xì)設(shè)置頁面。用戶長按這個(gè)設(shè)備將會跳出設(shè)備的重命名和刪除菜單。

另外在DeviceManagerActivity類的菜單選項(xiàng)中添加了設(shè)定（Setting）和情報(bào)（About）菜單。用戶選擇設(shè)定（Setting）菜單時(shí)，將會調(diào)用SettingsActivity類，進(jìn)入WIFI參數(shù)設(shè)置頁面。用戶選擇（About）菜單時(shí)，將會調(diào)用AboutActivity類，進(jìn)入系統(tǒng)說明頁面。

SettingsActivity類：

從DeviceManagerActivity類的菜單選項(xiàng)進(jìn)入，設(shè)置和保存用戶設(shè)定的WIFI網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以便于和WIFI設(shè)備建立連接。包含的信息有SSID名，UDP Port端口，WAN的IP地址和TCP Port端口，最后還有PWM的工作頻率。所有項(xiàng)目均可編輯，需要和被控制設(shè)備協(xié)同設(shè)置。以確保智能手機(jī)和智能燈源設(shè)備能夠正常連接，并能正常工作。

DeviceMainActivity類：

SmartLight智能燈源應(yīng)用的主要功能類。它提供了用戶對于智能燈源進(jìn)行控制的親和界面，調(diào)用相關(guān)聯(lián)的功能類，實(shí)現(xiàn)對于智能燈源的控制。同時(shí)監(jiān)聽通信類的信息，及時(shí)反映最新的智能燈源的狀態(tài)給用戶。

4.2.3 圖形界面設(shè)計(jì)模塊

圖形頁面的所有圖形資源，以及界面設(shè)計(jì)的XML文檔。建立圖形標(biāo)識與應(yīng)用程序event的對應(yīng)關(guān)系。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊

本模塊是SmartLight智能燈源的底層控制功能模塊。由基本邏輯功能模塊調(diào)用本模塊的功能類，接收邏輯功能模塊的指令，提供通用的控制接口函數(shù)，根據(jù)邏輯功能模塊調(diào)用函數(shù)以及使用參數(shù)的不同能夠，實(shí)現(xiàn)具體的智能燈源（包括單色光源）的控制。這個(gè)模塊可以看作智能燈源控制的指令集合。

HexLampController類：

智能燈源控制的基類，實(shí)裝了多種燈源控制函數(shù)，同時(shí)也包含了各種燈源狀態(tài)問詢和檢查函數(shù)。接收HexLampController類處理邏輯模塊的請求，調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊的接口，建立并確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。將接收的命令按照事先協(xié)議的邏輯查詢通用處理功能模塊中對應(yīng)的燈源模塊的控制命令指令和參數(shù)，并將這些指令結(jié)合在電文的報(bào)文中，再調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊的接口，將這些解析過電文傳遞給網(wǎng)絡(luò)。

HexLocalLampController類：

HexLampController類的子類，繼承父類功能的基礎(chǔ)上，引入了底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊的UdpUnicast類。在實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)連接的過程中，以UdpUnicast類為基礎(chǔ)，建立UDP連接通訊類型，適合于在本地的網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境。本地網(wǎng)絡(luò)使用中，環(huán)境構(gòu)建簡單，主要實(shí)裝了網(wǎng)絡(luò)建立、連接、切斷和取得回復(fù)的功能。

HexRemoteLampController類：

HexLampController類的子類，繼承父類功能的基礎(chǔ)上，引入了底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊的TCPClient類。在實(shí)裝網(wǎng)絡(luò)連接的過程中，已TCPClient類為基礎(chǔ)，建立TCP/IP連接的通訊類型，適合于遠(yuǎn)程控制的網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制較為復(fù)雜，與本地網(wǎng)絡(luò)相比，增加了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽，頭文件確認(rèn)，數(shù)據(jù)格式變更等功能。

4.2.5 底層網(wǎng)絡(luò)連接模塊

本模塊是建立通信網(wǎng)絡(luò)的底層通用模塊，由網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊調(diào)用的基本網(wǎng)絡(luò)功能類。提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建立的接口類型，同時(shí)保持與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)通道的暢通，接受上層模塊的調(diào)用，將模塊指令通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給智能燈源，來實(shí)現(xiàn)對于智能燈源的控制。就其功能性質(zhì)我們劃分為UDP類型和TCP類型。

UdpUnicast類：

UDP類型的底層網(wǎng)絡(luò)類型，提供本地網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建機(jī)能。主要是針對簡單網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)環(huán)境。如燈源與智能手機(jī)處于同一內(nèi)網(wǎng)中，通過UDP廣播傳遞所需要的信息和指令。初始階段實(shí)體化socket通信類，打開指定的端口，建立通信通道。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊傳遞過來的命令的時(shí)候，激活通訊通道，傳輸命令，同時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)側(cè)的回復(fù)。

TCPClient/TCPServer類：

TCP/IP類型的底層網(wǎng)絡(luò)類型，提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建機(jī)能。要是針對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)環(huán)境，包括使用互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)環(huán)境。通過TCP/IP協(xié)議傳遞所需要的信息和指令。初始階段實(shí)體化socket通信類，根據(jù)指定的IP地址和端口，搜索對象，建立通訊通道。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊傳遞過來的命令的時(shí)候，激活通訊通道，傳輸命令，同時(shí)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)側(cè)的回復(fù)。

4.2.6 通用功能模塊

提供調(diào)試日志（LOG）的輸出，通用處理，常量的定義等功能。

5 結(jié)束語

本文通過基于WIFI模塊的多路燈光控制系統(tǒng)的軟硬件描述，提供了一種通過智能手機(jī)上控制燈光的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)人與物交流的目的，為生活提供便利。

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王燕（1977－），女，江蘇泰興人，講師，蘇州工業(yè)園區(qū)服務(wù)外包職業(yè)學(xué)院納米技術(shù)系專任教師，主要研究方向：智能電子產(chǎn)品開發(fā)，F(xiàn)PGA產(chǎn)品開發(fā)等。

作者簡介：