基于WiFi環境下LED照明智能化控制系統的設計與實現

唐遠鴻　李巖　李菲　葉伏秋　孫晶

【摘 要】本文以最普遍的Android系統為平臺，結合Eclipse開發軟件，設計了一款操作簡單、功能齊全、界面友好的室內智能LED（Light-emitting diode）照明系統。在技術上，結合LED照明、無線WiFi（Wireless Fidelity）網絡、通訊和自動化控制等多項技術，以實現LED照明的智能化控制，達到LED燈具組的燈光自啟、切景設置和燈光亮度、色溫自主調節的效果。本系統主要由Android智能終端，ESP8266智能WiFi模塊、AP節點和LED燈具組四部分組成，具有操作簡單，成本低及良好可擴展性等特點。

【關鍵詞】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、光電檢測技術、控制工程信號處理元器件以及新型半導體發光材料的發展，LED（Light-emitting diode）照明技術的不斷進步得到了各國的普遍重視，目前已被視為具有影響力和發展前景的一項新技術[1]。LED具有重量輕、體積小、節能、方向性好、動態變幻、壽命長、抗振、色彩豐富等優勢而普遍適用于各種照明環境，隨著LED光源技術、LED照明燈具、控制技術的不斷創新，在很大程度上改變了傳統的照明理念，使得LED照明向更加智能化的方向發展，包括LED照明的節能化、健康化、藝術化和人性化。隨著社會需求的不斷變化，促使傳統的照明系統逐漸演變為當今融合各種計算機通信技術、微波電子以及傳感器技術的智能照明系統[2-3]。如今市面上已經出現許多通過物聯網控制LED照明的電子產品，其網絡技術較先進，覆蓋范圍較寬。智能終端的大量出現，使得WiFi（Wireless Fidelity）無線網絡得到普及，人們現在已經非常習慣和熟練使用基于WiFi網絡的多種產品[4]。并且采用簡單的星狀拓撲結構組成獨立的WiFi局域網，具有組網簡單且信號穩定的特點[5]。

隨著現代照明技術不斷進步和WiFi應用大眾化，基于WiFi環境下的智能照明設施的價格將會逐漸降低，也會越來越受到普通民眾的青睞。

本文在物聯網基礎上對LED照明和WiFi技術做進一步研究拓展，將兩者有機的結合在一起，使人們僅僅使用智能手機即可方便快捷的控制。本文提出了基于WiFi環境下LED照明智能化控制系統具體設計方案，利用WiFi作為信號傳輸的載體，ESP8266作為系統的控制中心，三基色LED作為照明燈具，從而實現WiFi環境下對目標LED照明燈具組遠程無線調光。

1 設計系統概述

根據WiFi局域網控制的研究現狀及相關的應用情況，結合LED照明、無線WiFi網絡、通訊和自動化等多項技術，本設計系統旨在實現LED照明的智能化控制，達到LED燈具組的燈光自啟、切景設置和燈光亮度、色溫的自主調節。設計系統主要包括以下三個部分：

（1）負責傳輸控制信號的AP節點。結合無線局域網的組網特點及運作方式，建立WiFi局域網環境，它是控制信號進行傳輸的載體，使各系統間建立穩定、良好的信道。

（2）WiFi燈控節點。此部分主要由ESP8266模塊和三基色LED燈具組構成。結合接入點模塊的功能和實現原理，完成接入點功能模塊的硬件設計；設置接收端口，接受用戶的目標指令；設置LED恒流驅動裝置，向LED燈具組傳輸響應信號，以實現調光。

（3）智能手機終端。基于Eclipse軟件開發平臺，運用Java語言進行用戶控制軟件開發，通過相關程序編寫，形成一個.apk文件，下載至智能手機終端，安裝得一款APP軟件。它是用戶進行系統控制的主要設備，相當于遙控裝置。

系統終端通信功能的實現主要包含兩方面內容：一是，通過無線WiFi網絡建立起智能手機終端和無線控制模塊之間的通信；二是，通過串口實現WiFi模塊與CPU內核之間通信。

系統終端控制功能的實現是通過ESP8266模塊完成的。首先，ESP8266將通過串口接收到智能手機客戶端發來的具體指令信息，然后對指令內容進行解析，并向三基色LED恒流驅動器輸出相應的PWM信號，以實現對三種顏色燈珠亮度的自主調節。具體的WiFi燈控系統的總體架構圖如圖1所示。

圖1 WiFi燈控系統的總體架構圖

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

2 燈控節點設計

本系統的硬件設計是以ESP8266為燈控節點的主要控制芯片。此芯片采用的是樂鑫智能互聯平臺提供的ESP8266無線WiFi模塊，它擁有高性能無線SOC，使無線平臺的開發設計變得實用、方便。ESP8266為系統提供了一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，能夠獨立地運行、處理相關指令。作為控制系統的主要芯片，ESP8266還具有透明傳輸功能；它能通過無線網絡接收到數據，卻不修改數據，直接傳送到下一端，使得接收方接到數據內容和長度一致的數據，傳輸過程如同透明一樣，保證了數據傳輸的準確性。本設計系統主要運用ESP8266作為控制中心，它不僅要完成接收和發送數據的功能，還要通過CPU內核對數據進行處理，以向下一端口輸送PWM控制信號，CPU內核是ESP8266數據處理中心。

AP協調器作為系統中繼——連接WiFi燈控點和Android智能手機終端的橋梁，對接收到的信息進行分析處理，其功能類似服務器的作用[6]。AP協調器需要儲存所有燈的信息，同時接收從客戶端不斷傳來的響應信號，以作用于ESP8266模塊執行命令，從而調節LED燈具組的亮度和色溫。

整個燈控節點的設計需要用到一個220V交流轉5V直流的變壓模塊，一個5V直流轉3.3V模塊（AMS1117），以實現對ESP8266WiFi模塊和模擬LED燈具組供電。單個完整的LED智能照明系統的電路原理圖如圖2所示，PCB制板圖如圖3所示。本系統共由3個這樣的小系統構成，通過手機客戶端能實現對3個小系統的同時控制。

圖2 LED智能照明系統的電路原理圖

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 軟件設計

本系統的軟件設計是基于Android平臺開發，Android提供多種連接選項，包括WiFi、藍牙和通過蜂窩（cellular）連接的無線數據傳輸（例如，GPRS、EDGE和3G）。Android是一個開放的手機操作系統平臺，為移動用戶端提供了一個包含應用程序、中間件以及操作系統的軟件疊層架構[7]。Eclipse是基于Java的、開放源代碼的可擴展集成開發平臺，它最初由IBM公司投入開發。Eclipse擁有免費、源代碼開放、無限的可擴展性等特點，為本系統的軟件編寫提供了便利的條件。本系統運用Java語言，借助Eclipse軟件編寫控制程序，并最終形成.apk文件，下載至手機，得到一個手機APP軟件，借助這個軟件便能對ESP8266模塊進行控制。編譯完成后可在電腦上模擬，當編譯程序達到預期要求，可生成.apk文件，即手機客戶端軟件。安裝至手機客戶端后用戶可根據需要進行操作。

手機客戶端節點流程圖如圖4所示。進入用戶控制軟件，上電初始化后，搜索當前運行硬件設備，發送入網申請信號，輸入正確SSID和密碼，加入成功后開始執行用戶控制指令，完成對LED燈具的色溫和亮度的調節，并返回系統所處當前狀態數據。

圖4 手機客戶端節點流程圖

Fig.4 The flow chart of mobile client node

4 系統測試

調試軟件成功，接通電源，將LED燈具組接入預定WiFi網絡，可實現對目標燈具組的實時控制，其測試結果如圖5所示。本系統經過一系列調試和測試，根據WiFi無線局域網的組網特點及運作方式，建立基于Java語言控制發射為基礎的WiFi模式局域網；實現了對無線通信LED燈控節點的設計，包括LED燈控節點的硬件設計、Java語言控制下單片機的工作模式設計、以及整體LED燈具組的合理布局設計，保證了LED照明系統能正常運作；最終實現LED照明的智能化控制，達到LED燈具組的燈光自啟、切景設置和燈光亮度、色溫的自主調節。

圖5 系統測試結果

Fig.5 The performance results

5 總結

本文提出了一種基于WiFi環境下LED照明智能化控制系統的硬件設計和軟件設計，并對此進行了系統的開發和調試；介紹了AP協調節點、WiFi燈控節點和智能手機終端軟件系統的具體設計過程。經實驗證明，該系統具有價格低廉、穩定性良好、開發周期短、便于維護安裝等優點。總的來說基于WiFi環境下對LED照明的智能控制系統將會有更廣闊的市場前景，它的無線化、網絡化、智能化與綠色節能無疑會給我們的社會與生活帶來深遠的影響。

【參考文獻】

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[5][美]布瑞斯賓（Bniebin，S），卡爾提（Carty，G）著.天宏工作室，譯.自己動組建Wi-Fi網絡[M].北京：清華大學出版，2003.6：11-20.

[6]盧林杰，秦會斌.基于STM8S103和WIFI的智能家居照明系統設計[J].電氣自動化，2014，36（3）：101-103.

[7]歐陽零.Android核心技術與實例詳解[M].北京：電子工業出版社，2013：1-4.

[責任編輯：王楠]