劉瑞妮

（西安翻譯學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，陜西西安710105）

目前我國(guó)高校照明系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的人工管理方式，采用的是手動(dòng)開(kāi)關(guān)，使用不方便，而且長(zhǎng)明燈現(xiàn)象非常普遍，極大地浪費(fèi)了資源，不符合當(dāng)前的節(jié)能要求。鑒于以上傳統(tǒng)照明的諸多缺點(diǎn)，智能照明控制成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-7]。

當(dāng)前關(guān)于智能照明控制主要集中在Zigbee技術(shù)[1-2]和單片機(jī)技術(shù)[4-7]兩種。Zigbee技術(shù)具有功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8]，但產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品成本高等缺點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用；而基于單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便擴(kuò)充其他功能，但是一般只能實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，WiFi技術(shù)也得到了前所未有的發(fā)展，已應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[9]、污染物監(jiān)測(cè)[10]、智能溫室溫度控制[11]、智能圖書(shū)管理[12]等方面。

文中介紹一種教學(xué)樓智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以Arduino單片機(jī)作為核心控制器，通過(guò)無(wú)線WiFi方式傳輸信息，在Android手機(jī)客戶端，遠(yuǎn)程操作教學(xué)樓內(nèi)的照明器件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于WiFi和Arduino單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：一是可對(duì)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)進(jìn)行檢測(cè)及顯示；二是可在手機(jī)客戶端對(duì)教室內(nèi)的照明器件進(jìn)行操作；三是可對(duì)多個(gè)燈節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一操作，或單獨(dú)控制一個(gè)照明器件。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

通過(guò)圖1可以看出，智能照明系統(tǒng)主體框架由手機(jī)客戶端、AP協(xié)調(diào)器、系統(tǒng)終端3個(gè)部分組成，各部分具體功能分析如下：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）手機(jī)客戶端：系統(tǒng)客戶端部分是基于Android操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)搭建Eclipse軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的界面功能。

2）AP協(xié)調(diào)器：AP協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心，實(shí)現(xiàn)WiFi和智能手機(jī)終端的連接，對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析處理。

3）系統(tǒng)終端：該部分主要由 WiFi Station、單片機(jī)和照明燈組成。WiFi Station作為終端的無(wú)線通信設(shè)備，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)同手機(jī)客戶端之間的數(shù)據(jù)有效傳輸功能。單片機(jī)作為系統(tǒng)終端的控制設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)交換以及系統(tǒng)終端有用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及分析處理等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線智能照明系統(tǒng)的硬件部分主要包括：無(wú)線WiFi模塊、單片機(jī)模塊和傳感器模塊3部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 WiFi模塊

無(wú)線WiFi模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)終端和手機(jī)客戶端之間的通信。WiFi模塊與單片機(jī)之間通過(guò)異步串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，該過(guò)程是通過(guò)WiFi模塊和單片機(jī)自身帶有的串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)手機(jī)客戶端發(fā)起命令請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，該信號(hào)將首先通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)到達(dá)WiFi Station端，然后再通過(guò)其串口將具體的信號(hào)命令消息發(fā)送給單片機(jī)設(shè)備，最終將由單片機(jī)解析具體的命令消息并執(zhí)行命令指定的功能。

本智能照明系統(tǒng)的WiFi模塊選用ESP8266芯片，ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行，支持3種組網(wǎng)模式：softAP模式，station模式，softAP+station模式[13]，用戶可根據(jù)具體需求靈活選擇。

2.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)作為無(wú)線照明控制系統(tǒng)的核心，主要具有以下功能：

1）接收手機(jī)客戶端通過(guò)WiFi模塊發(fā)送的信息，判斷這個(gè)信息的作用，對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理；

2）接收傳感器模塊檢測(cè)到的室內(nèi)光強(qiáng)和人數(shù)并進(jìn)行處理；

3）根據(jù)手機(jī)客戶端發(fā)送的信息和傳感器模塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)控制照明燈的狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)中使用Arduino UNO R3單片機(jī)作為核心控制單元，采用Atmel Atmega 328微處理控制器，具有14路數(shù)字量輸入/輸出端口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬量輸入，一個(gè)16 MHz晶振，支持ISP下載功能，與其他同類(lèi)型單片機(jī)相比，Arduino單片機(jī)有豐富的系統(tǒng)資源，編程簡(jiǎn)單，模塊擴(kuò)展功能強(qiáng)大，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[14-16]。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括光照傳感器和紅外檢測(cè)模塊兩部分，主要功能是對(duì)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度和人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送至控制單片機(jī)，以便單片機(jī)做出控制。

光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊主要功能是對(duì)教學(xué)樓內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，該部分由光敏電阻和LM393芯片組成，光敏電阻檢測(cè)到不同光強(qiáng)就會(huì)得到不同的阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號(hào)送給電壓比較器LM393來(lái)檢測(cè)教學(xué)樓內(nèi)實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度。因?yàn)锳rduino UNO R3單片機(jī)有6路模擬量輸入通道，因此光照檢測(cè)電路可直接與單片機(jī)連接，不必再另外使用A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

紅外檢測(cè)模塊可以對(duì)教室內(nèi)人員流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成（圖3）。當(dāng)紅外對(duì)管檢測(cè)到有人靠近時(shí)，就會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)給放大電路，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，傳送給電壓比較器，與其上基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生一個(gè)高/低電平，并以此電平作為單片機(jī)的外部計(jì)數(shù)信號(hào)，啟動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，該數(shù)值就是教室內(nèi)當(dāng)前人數(shù)，最終將人數(shù)顯示在顯示器上。

圖3 紅外檢測(cè)模塊框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)配置初始化成功后等待WiFi模塊啟動(dòng)，WiFi模塊啟動(dòng)后燈節(jié)點(diǎn)開(kāi)始正式工作；傳感器模塊將檢測(cè)到的教學(xué)樓內(nèi)人數(shù)和光照情況傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將其處理后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端，等待客戶端發(fā)送指令：若接收到信息，則按照對(duì)應(yīng)指令設(shè)置照明燈的狀態(tài)，并返回等待下一次命令，若沒(méi)有則繼續(xù)等待，軟件流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

手機(jī)客戶端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)使用的是Eclipse，它是一個(gè)源代碼開(kāi)放、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)。使用Eclipse進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)需先安裝ADT插件，這樣才可以在Eclipse中啟動(dòng)Android模擬器進(jìn)行程序調(diào)試等[17]。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件界面如圖5所示。在客戶端可以顯示各個(gè)照明燈的狀態(tài)，燈亮起時(shí)，左邊小燈圖標(biāo)高亮，熄滅時(shí)圖標(biāo)為灰色。通過(guò)右邊的開(kāi)關(guān)可以調(diào)節(jié)每盞燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖5 手機(jī)客戶端程序界面

系統(tǒng)工作時(shí)，要先將手機(jī)客戶端接入附近的WiFi網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)中ESP8266選用softAP+station組網(wǎng)模式，該模式下Andronid手機(jī)可以作為station連入ESP8266的softAP接口，同時(shí)可以控制ESP8266的station接口通過(guò)路由器連入internet。以下命令是將名稱(chēng)為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi接入手機(jī)客戶端的具體方法。

AT+RST 模塊重啟；

AT+CWMODE=3設(shè)置為AP+STA模式；

AT+RST 重啟模塊；

AT+CWLAP 查詢附近可加入的WiFi

AT+CWJAP="FAST_94BE04"，"q5754831"

加入用戶名為FAST_94BE04，密碼q5754831的WiFi；

AT+CIFSR 將模塊設(shè)置為客戶端；

AT+CIPMUX=1 查看模塊的ID；

AT+CIPSERVER=1，8080開(kāi)啟SERVER模式，端口號(hào)為8080；

至此就可以用手機(jī)接入用戶名為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi模塊。設(shè)置手機(jī)APP的TCP服務(wù)IP，與用Eclipse軟件查詢到ESP8266模塊的ID一致，連接后就可用手機(jī)終端發(fā)送命令給ESP8266模塊。

4 系統(tǒng)測(cè)試與效果分析

為了分析基于WiFi的室內(nèi)照明系統(tǒng)的性能，在西安翻譯學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院教學(xué)樓內(nèi)應(yīng)用該系統(tǒng)并進(jìn)行功能測(cè)試，系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果（表1）表明系統(tǒng)的各個(gè)功能運(yùn)行效果良好，使用手機(jī)客戶端連接WiFi模塊后，就可以對(duì)照明燈的狀態(tài)進(jìn)行控制了，可以控制單個(gè)燈泡，也可以對(duì)多個(gè)燈泡進(jìn)行控制，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓照明燈的遠(yuǎn)程無(wú)線控制。

表1 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于WiFi的教學(xué)樓照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：采用高性能的Arduino UNO R3單片機(jī)作為控制核心，提高系統(tǒng)控制功能；在教學(xué)樓網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中引入WiFi無(wú)線通信技術(shù)，以增大無(wú)線通信距離并簡(jiǎn)化組網(wǎng)方法；設(shè)計(jì)了WiFi智能照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備人數(shù)采集、光照度采集和WiFi通信功能；設(shè)計(jì)了手機(jī)客戶端程序，該程序?qū)崿F(xiàn)了用戶登陸和教室照明燈狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程控制等功能。

對(duì)于大型辦公樓等場(chǎng)所，可以使用WiFi模塊的無(wú)線分布式系統(tǒng)功能，將多個(gè)AP互相連接，組成一個(gè)覆蓋范圍更廣的網(wǎng)絡(luò)。

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