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(常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

0 引言

一個智能照明控制系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，分別是傳感器網(wǎng)絡(luò)、照明燈具及其控制技術(shù)以及照明控制系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。傳感器網(wǎng)絡(luò)為智能照明系統(tǒng)提供對環(huán)境的感知，使系統(tǒng)更加人性化、節(jié)能效果更好。隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，LED照明逐漸代替白熾燈照明已經(jīng)是大勢所趨。LED照明不僅功耗低、效率高，而且采用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)光的LED照明系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的白熾燈照明采用可控硅調(diào)光的場合會產(chǎn)生較多的諧波、低功率因數(shù)以及低效率的問題，更契合環(huán)保綠色的發(fā)展理念。隨著人們節(jié)能意識的增強(qiáng)和生活品質(zhì)的提升，關(guān)注人本身的需求，能夠?yàn)槿藗兲峁┦孢m、安全、節(jié)能的光環(huán)境的LED照明系統(tǒng)是未來智能照明系統(tǒng)的發(fā)展方向。

照明控制系統(tǒng)組成方式主要有總線式、電力線載波式以及無線網(wǎng)絡(luò)等。傳統(tǒng)的總線式和電力線載波式智能照明控制系統(tǒng)在建筑照明、大型體育場館照明等領(lǐng)域已經(jīng)有了很多的應(yīng)用。但是迄今為止，這些照明智能控制系統(tǒng)在系統(tǒng)安裝、設(shè)定上存在專業(yè)性太強(qiáng)，編程麻煩而難以在家用領(lǐng)域得到普及[1]。

家用智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)該是一種組網(wǎng)靈活、使用方便、成本低廉的系統(tǒng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展LED燈具等智能電器都可以實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入[2]，而無線通信技術(shù)也是種類繁多，出現(xiàn)了諸如ZigBee、藍(lán)牙以及Wi-Fi等無線通信技術(shù)。這些無線通信技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，也各有其應(yīng)用領(lǐng)域。但相比較而言，Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍最廣，信號的穿透能力更強(qiáng)，因此在家用領(lǐng)域也更為普及，成為住宅智能照明系統(tǒng)首選的組網(wǎng)方式。由LED照明設(shè)備、Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)以及智能手機(jī)應(yīng)用程序構(gòu)成的智能照明控制系統(tǒng)成為一種趨勢，并且正逐漸取代傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)[3]。傳感器使智能照明控制系統(tǒng)能夠聰明的感知周圍環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化對室內(nèi)LED照明進(jìn)行控制，為用戶提供方便高效的服務(wù)[4]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于Wi-Fi的家用智能照明控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示。整個系統(tǒng)包括基于STC12C5A60S2單片機(jī)的最小系統(tǒng)、紅外及光敏參數(shù)檢測電路、LED驅(qū)動控制電路以及ESP8266與單片機(jī)的接口電路等幾個部分。人體紅外傳感器用以檢測是否有人，微處理器根據(jù)其檢測信號控制照明燈具；需要自動調(diào)光的場合則依賴于光敏傳感器的檢測數(shù)據(jù)。為了滿足室內(nèi)照明的功率的實(shí)際需求LED驅(qū)動電路采用了大功率驅(qū)動模塊。

圖1 家用智能照明控制系統(tǒng)總體方案

ESP8266模塊與單片機(jī)采用UART串口連接可以實(shí)現(xiàn)串口到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)之間的控制信號轉(zhuǎn)換；通過配置可以讓ESP8266工作于AP服務(wù)器模式并以此來構(gòu)建室內(nèi)的Wi-Fi無線局域網(wǎng)。

基于Android實(shí)現(xiàn)的手機(jī)應(yīng)用程序使用戶能夠很方便地在Wi-Fi覆蓋到的地方通過手機(jī)進(jìn)行照明控制。對于無線局域網(wǎng)而言，通信協(xié)議是基于Wi-Fi的住宅智能照明控制系統(tǒng)的重要部分[5]。手機(jī)客戶端與AP服務(wù)器之間的無線通信是基于UDP協(xié)議的。AP服務(wù)器將接收到的指令后，經(jīng)相應(yīng)處理后再通過UART串口將控制指令發(fā)送給單片機(jī)，最終由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LED燈的開關(guān)控制、延時關(guān)斷控制和調(diào)光控制等功能。

2 硬件電路設(shè)計

家用智能照明控制系統(tǒng)按照三室二廳居的普通住宅進(jìn)行設(shè)計，整個系統(tǒng)設(shè)有兩路調(diào)光照明和若干路開關(guān)照明。調(diào)光照明用于主臥室和次臥室的房間照明；其余房間及樓道、陽臺等地方的照明采用開關(guān)照明。開關(guān)照明的控制分為兩種：一種方式完全由手機(jī)App實(shí)現(xiàn)其開關(guān)控制，適合于室內(nèi)燈光的控制；另一種方式由手機(jī)App的控制信號和人體紅外檢測信號共同實(shí)現(xiàn)的燈光延時關(guān)斷控制，比較適合樓道照明的場合。

2.1 單片機(jī)主控制電路的設(shè)計

基于上述控制要求，家用智能照明控制系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，該單片機(jī)是一款增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，自帶2路PWM輸出以及8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。滿足采用PWM技術(shù)的調(diào)光輸出以及處理光敏傳感器的模擬輸入信號的需要。STC12C5A60S2單片機(jī)的控制電路如圖2所示，除了復(fù)位、晶振電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)以外，主要還包括基于LHI778 探頭的HC-SR501熱釋電人體紅外感應(yīng)電路和光照度模擬信號采集電路。人體紅外傳感器探測距離可達(dá)7 m且對10 μm的人體紅外輻射敏感，其輸出端OUT接單片機(jī)P0.0端口。光照度采集電路由阻值為10 kΩ的電阻R2與光敏電阻R3串聯(lián)構(gòu)成，利用光敏電阻的光線敏感特性，當(dāng)室內(nèi)光照發(fā)生變化時采樣電壓也隨之變化，兩個電阻的分壓輸出信號接單片機(jī)ADC0引腳，由單片機(jī)完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制的LED調(diào)光的電路以該信號為基礎(chǔ)。

圖2 單片機(jī)主控制電路

2.2 WiFi模塊電路的設(shè)計

ESP8266是一款專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的具有超低功耗的UART-WiFi芯片，該模塊為用戶提供了高度集成的WiFi SoC解決方案，可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行[6]。該模塊為Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)嵌入其他系統(tǒng)提供了途徑，在ESP8266的開發(fā)環(huán)境(SDK)下，通過相應(yīng)配置即可組建一個小型的無線局域網(wǎng)。ESP8266的硬件接口豐富，支持UART、I2C、PWM、GPIO以及ADC，對于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用而言是一款非常合適的模塊。

圖3 ESP8266WiFi模塊電路

由于采用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器，ESP8266模塊是作為從機(jī)使用的，其作用是接收手機(jī)端的控制指令并轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)，該模塊的硬件電路如圖3所示。EN是芯片工作使能端，芯片正常工作時該引腳應(yīng)由外加電源置高電平。TXD0和RXD0兩個引腳與單片機(jī)的TxD和RxD引腳交叉相連，實(shí)現(xiàn)正確的UART通信。RST(GPIO16)引腳是外部復(fù)位引腳，正常工作時應(yīng)置高電平。GPIO0用于工作模式的選擇，當(dāng)按鈕S3按下GPIO0被置為低電平，此工作模式用于UART下載程序；S3未按下時GPIO0為高電平。默認(rèn)情況下，在模塊初始化時GPIO0和GPIO2兩個引腳為高電平，使芯片處于正常工作模式。

2.3 LED驅(qū)動電路設(shè)計

LED燈的控制方式有：開關(guān)控制、延時關(guān)斷控制和調(diào)光控制，雖然控制方式不同但驅(qū)動電路是一樣的，只是控制方式有所不同。這里采用XL4005芯片設(shè)計了降壓型LED驅(qū)動電路。XL4005芯片是一款大功率的LED驅(qū)動芯片，其輸入電壓范圍5～32 V，輸出電壓范圍0.8～30 V，采用300 kHz固定頻率工作。如圖4所示為調(diào)光LED驅(qū)動電路，輸入為交流220 V，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換后得到24 V直流電壓作為XL4005的輸入電源。SW為芯片驅(qū)動輸出引腳，輸出電壓12 V，最大驅(qū)動電流為4 A。FB為反饋引腳，該引腳采樣得到的反饋電壓與芯片內(nèi)部的0.8 V基準(zhǔn)電壓比較后通過改變PWM波形占空比從而得到穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電壓由公式(1)確定。

(1)

式中,Vfb取0.8 V，R8取2 kΩ，R9取28 kΩ，此時輸出電壓Vout為12 V。

EN為芯片的使能端，高電平工作。需要進(jìn)行調(diào)光控制時，該引腳與單片機(jī)P1.3或P1.4相連，利用單片機(jī)輸出的PWM波控制EN引腳，改變PWM的占空比即可實(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。對于不需要調(diào)光的LED燈來說，只需要將XL4005的使能端改為由單片機(jī)IO口控制其通斷即可，比如單片機(jī)的P0.5輸出接XL4005的EN使能端。STC12C5A60S2的IO口能夠滿足普通住開關(guān)式控制的實(shí)際需要。

圖4 LED驅(qū)動電路

2.4 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)電源主要有給各類芯片供電的直流24 V、5 V和3.3 V。24 V直流電源為LED驅(qū)動芯片XL4005的輸入電源，采用MAY50-220S24N的AC/DC模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊輸入交流220 V，輸出直流24 V，輸出額定功率為48 W。5 V直流電源采用LM7805三端穩(wěn)壓芯片得到，作為STC12C5A60S2單片機(jī)和LM358運(yùn)放的輸入電源。3.3 V直流電源是ESP8266模塊的輸入電源，采用低噪聲的LDO穩(wěn)壓芯片SPX3819M5得到。

如圖5所示為ESP8266模塊的供電電路，SPX3819M5芯片采用5個引腳的SOT-23封裝，其EN使能端電壓大于2 V時芯片正常工作，因此將EN與輸入端Vin短接后接5 V輸入電源。ADJ/BYP是調(diào)整/反饋復(fù)用引腳，這里不使用調(diào)整輸出功能，因此BYP引腳串接1個10nF的電容后接地以減少輸出噪聲。

圖5 ESP8266模塊供電電路

3 軟件設(shè)計

整個智能照明控制系統(tǒng)的軟件主要包括單片機(jī)的主控程序、ESP8266模塊的通信配置程序以及手機(jī)移動端App程序三個部分。

3.1 單片機(jī)主程序設(shè)計

單片機(jī)上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后調(diào)用串口中斷服務(wù)函數(shù)等待觸發(fā)中斷。串口中斷由ESP8266模塊發(fā)出，中斷觸發(fā)后單片機(jī)提取控制信息。開關(guān)方式控制的LED燈根據(jù)相應(yīng)的控制信號改變LED燈的開關(guān)狀態(tài)。而其他方式控制的照明燈需要綜合其他檢測信號實(shí)現(xiàn)控制。調(diào)光LED燈打開后根據(jù)室內(nèi)光敏電阻的檢測信號進(jìn)行調(diào)光，采用定時中斷方式采集光敏信號并對采集信號進(jìn)行了平均值處理，這樣有效避免了因環(huán)境明暗變化較大造成LED燈忽亮忽暗。樓道LED燈是否開啟取決于控制信號和紅外檢測信號，兩個信號同時滿足則LED燈亮，30秒以后自動關(guān)閉。如圖6所示為單片機(jī)主程序流程圖。

圖6 單片機(jī)主程序流程圖

3.2 Wi-Fi模塊通信配置程序設(shè)計

ESP8266模塊內(nèi)置32位MCU，因此上電時該Wi-Fi模塊也有初始化，初始化主要包括設(shè)置ESP8266模塊的工作模式、建立Wi-Fi熱點(diǎn)以及配置UDP通信方式這幾個步驟。ESP8266的通信配置程序在專用的開放環(huán)境(SDK)中編寫，編寫好的程序通過該模塊自帶串口下載至模塊。

ESP8266模塊的工作模式的設(shè)置及Wi-Fi熱點(diǎn)的建立步驟如下。首先通過調(diào)用wifi_set_opmode(uint8 opmode)函數(shù)來設(shè)置模塊的工作模式，將opmode參數(shù)設(shè)置為0X02使ESP8266模塊工作于SOFTAP_MODE， 即AP服務(wù)器模式。AP服務(wù)器的作用是建立Wi-Fi熱點(diǎn)，為此需要設(shè)置Wi-Fi熱點(diǎn)的服務(wù)集標(biāo)識(SSID)及其密碼，通過調(diào)用softap_config結(jié)構(gòu)體完成參數(shù)設(shè)置，其中os_memcpy(config.ssid, "WiFi_AP", 7)語句設(shè)置了Wi-Fi熱點(diǎn)的SSID，os_memcpy(config.password, "12345678", 8)設(shè)定熱點(diǎn)的連接密碼。另外在該結(jié)構(gòu)體內(nèi)還指定了無線安全類型及接入點(diǎn)的數(shù)量，無線安全類型需要給config.authmode賦值，默認(rèn)情況下賦值為“AUTH_WPA_WPA2_PSK”；接入點(diǎn)數(shù)量需要給config.max_connection賦值，該值根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

Wi-Fi熱點(diǎn)建立后需對數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)通信協(xié)議進(jìn)行配置。UDP是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的信息傳送服務(wù)。實(shí)現(xiàn)UDP通信的配置流程如下：①調(diào)用wifi_set_broadcast_if(SOFTAP_MODE)函數(shù)設(shè)置UDP廣播采用soft-AP模式發(fā)送數(shù)據(jù)。②設(shè)置建立的數(shù)據(jù)連接為UDP類型，通過將PhoneConn.type 賦值為ESPCONN_UDP來實(shí)現(xiàn)。③設(shè)置本地及遠(yuǎn)程端口為5555，本地端口通過語句PhoneConn.proto.udp->local_port = 5555設(shè)置；遠(yuǎn)程端口通過PhoneConn.proto.udp->remote_port = 5555設(shè)置。④注冊UDP數(shù)據(jù)包的接收回調(diào)與發(fā)送回調(diào)函數(shù)。調(diào)用函數(shù)espconn_regist_recvcb(&PhoneConn, udpclient_recv)注冊接收回調(diào)，；調(diào)用函數(shù)espconn_regist_sentcb(&user_udp_espconn,user_udp_sent_cb)注冊發(fā)送回調(diào)。 ⑤調(diào)用 espconn_create(&PhoneConn)函數(shù)建立UDP通信。⑥調(diào)用發(fā)送回調(diào)或者接受回調(diào)函數(shù)來發(fā)送/接受數(shù)據(jù)。接收回調(diào)函數(shù)用于接收手機(jī)App的LED控制信號；發(fā)送回調(diào)函數(shù)將LED燈的實(shí)際開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給手機(jī)App，使手機(jī)上燈標(biāo)點(diǎn)亮與否與LED燈的實(shí)際狀態(tài)一致。

在ESP8266模塊的初始化和單片機(jī)初始化完成以后，整個系統(tǒng)的初始化工作完成，手機(jī)會自動連接到該模塊建立的AP服務(wù)器。如圖7所示為ESP8266模塊程序接收回調(diào)控制程序流程圖，ESP8266接收回調(diào)函數(shù)通過定時掃描手機(jī)端應(yīng)用程序發(fā)出控制指令接收實(shí)時控制信息，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時通過串口中斷將相應(yīng)開關(guān)指令發(fā)送給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LED燈控制。ESP8266模塊的發(fā)送回調(diào)控制程序與接收回調(diào)是類似的，不再贅述。

圖7 ESP8266模塊接收回調(diào)控制程序流程圖

3.3 手機(jī)移動端程序設(shè)計

Android手機(jī)客戶端軟件基于E4A(易安卓)平臺進(jìn)行開發(fā)。Android手機(jī)客戶端主要有登錄管理功能、房間燈組照明控制功能以及全局照明控制功能，如圖8所示為系統(tǒng)的登錄界面和全局LED燈控制界面。登錄管理功能可以設(shè)置用戶賬號及密碼，保證具有權(quán)限的用戶才有照明控制系統(tǒng)的控制權(quán)限，避免被人惡意控制，保證了系統(tǒng)的安全性。全局照明控制管理能夠在用戶出入住宅時，實(shí)現(xiàn)對所有燈的開關(guān)控制。房間燈組照明控制功能能夠方便用戶對單個房間的燈組管理。

圖8 Android手機(jī)客戶端軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

家用智能照明控制系統(tǒng)在上電并完成單片機(jī)和ESP8266模塊的初始化后，由ESP8266建立Wi-Fi熱點(diǎn)，接著ESP8266以當(dāng)UDP通信方式獲取手機(jī)移動端的MAC地址并且向手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)成功發(fā)送后使用定時器繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。從圖9中可以看到Android手機(jī)已經(jīng)連接到名為“WiFi_AP”的無線熱點(diǎn)。

圖9 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)測試正常后，打開手機(jī)客戶端軟件輸入賬號和密碼登錄系統(tǒng)，即進(jìn)入控制界面實(shí)現(xiàn)對家中LED燈的開關(guān)操作。開關(guān)操作由一組按鈕完成，LED的實(shí)際開關(guān)狀態(tài)由一組燈標(biāo)顯示，高亮和灰暗分別表示燈的亮滅。經(jīng)測試AP服務(wù)器的定時信息收發(fā)功能正常，手機(jī)客戶端發(fā)出的控制信息經(jīng)AP服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)，并最終由單片機(jī)控制LED燈的開關(guān)；而單片機(jī)將實(shí)時的LED燈開關(guān)狀態(tài)通過UART-WiFi接口轉(zhuǎn)換后發(fā)送給手機(jī)客戶端，手機(jī)界面能正確顯示室內(nèi)LED的亮滅情況。另外在手機(jī)客戶端發(fā)出開燈信號后調(diào)光LED的工作根據(jù)環(huán)境明暗情況進(jìn)行智能調(diào)光；而過道LED燈也能夠在檢測到紅外信號后點(diǎn)亮，延時后自動熄滅。

5 結(jié)論

基于Wi-Fi方式組網(wǎng)的住宅智能照明系統(tǒng)與傳統(tǒng)的照明控制相比采用了嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有布線簡單、使用方便的優(yōu)勢。隨著智能手機(jī)的普及以及LED照明逐漸成為主流，具備手機(jī)端軟件控制的智能照明系統(tǒng)能夠滿足普通家庭對智能照明控制的基本要求，代表著今后照明系統(tǒng)的發(fā)展方向，具備良好的應(yīng)用前景。