基于WIFI的教室燈光遠程控制系統

成鳳敏

(唐山學院 智能與信息工程學院，河北 唐山 063000)

隨著高等院校教學設施的擴建，教室的數量不斷增多，教室電能的需求量逐漸增大。在教室燈光管理的調查中發現，在室內光線充足或者教室里沒有學生的情況下，有些教室的燈依然開啟，甚至由于工作人員的疏忽，教室照明燈一夜不關。這些現象造成了電能浪費，不符合國家節能減排的政策。因此，有必要對用電設備的管理進行優化，本文利用WIFI通信技術，設計了一款通過移動控制終端實現教室燈光遠程控制的系統。

1 方案設計

1.1 整體方案

系統采用上位機與下位機聯合工作機制，上位機與下位機之間的通信采用無線模塊實現。通過上位機終端對下位機系統進行管理，控制教室燈光的亮滅。上位機發送的命令通過無線模塊傳輸給下位機，在下位機部分加入時鐘芯片，并且設計相應的程序與時鐘芯片結合，實現定時開關燈的功能。考慮到高校作息時間有變的情況，對系統進行了修改定時模式下開關燈時間的設計。

1.2 各模塊功能

1.2.1 單片機模塊

采用STC89C52單片機芯片作為下位機的主控芯片，通過輸出高低電平來控制燈的亮滅。

1.2.2 WIFI模塊

WIFI模塊是通信環節的中樞，接收上位機的控制命令，通過串口通信傳遞給單片機。采用ESP8266無線通訊模塊，內部有集成好的TCP/IP通信協議，此模塊作為一個服務器端供客戶端連接。

1.2.3 時鐘芯片

時鐘芯片負責整個系統時鐘的產生，用于實現定時開關燈。系統采用的DS1302時鐘芯片能夠產生精確的時鐘，對年、月、周、日有計時功能，并能夠自動進行閏年補償[1]。除了可以接主電源外，DS1302還可接備用電源，并且在主電源工作時對備用電源進行涓細電流充電，若主電源掉電，備用電源就開始為時鐘芯片供電，所以DS1302在外部電源沒電時仍然能夠在備用電源的供電情況下繼續工作。

1.2.4 液晶顯示

LCD1602液晶顯示模塊負責顯示時間，單片機往時鐘芯片里面寫讀指令，然后把里面的實時時間讀出來，最后顯示在液晶顯示模塊上。液晶顯示模塊顯示年、月、周、日、時、分、秒信息，在對系統定時時間進行設置時起到參考作用，并且還可作為電子日歷使用。

1.2.5 上位機

上位機采用LABVIEW軟件進行編程制作可視化界面，實現人機交互的功能。友好的可視化界面能夠讓操作者在短時間內熟悉系統操作，通過點擊相應按鈕向下位機發送命令，可便捷地對燈光進行控制。

2 電路設計

2.1 單片機電路設計

STC89C52單片機的引腳及與外電路連接如圖1所示。

圖1 STC89C52單片機引腳及與外電路連接圖

P0口的P0.0至P0.7分別接LCD1602液晶顯示模塊的D0至D7口，負責向液晶顯示模塊并行寫入需要顯示的數據。

P2.0連接液晶顯示模塊的RS引腳，P2.1連接液晶顯示模塊的RW引腳，P2.2連接E使能引腳。這三個引腳控制單片機向液晶顯示模塊中寫命令和寫數據，當RS為低電平、RW為低電平、E為高電平時，單片機通過P0口向液晶顯示模塊中寫入指令；當RS為高電平、RW為低電平、E為高電平時，單片機向液晶顯示模塊寫入顯示的數據。

P3.0是串口輸入(RXD)引腳，連接WIFI模塊的TXD引腳，負責接收由WIFI模塊傳過來的數據；P3.1是串口輸出(TXD)引腳，連接WIFI模塊的RXD引腳，負責向WIFI模塊寫入初始化指令，完成對WIFI模塊的配置。

P3.4連接DS1302時鐘模塊的I/O引腳，P3.5連接時鐘模塊的RST(復位)引腳，P3.6連接時鐘模塊的SCLK(脈沖)引腳。當向時鐘模塊里面寫數據時，P3.5置高電平，在P3.6的下降沿時時鐘模塊放置數據，在P3.6的上升沿時時鐘模塊鎖存數據；當從時鐘模塊讀取數據時，P3.5置高電平，在P3.6的下降沿時時鐘模塊放置數據，在P3.6的上升沿時單片機鎖存數據。

2.2 WIFI通信模塊電路

ESP8266無線通訊模塊有三種工作方式，分別是AP模式、STA模式和AP+STA模式。其中AP模式是服務器模式，相當于路由器，等待客戶端的連接；STA模式是客戶端模式，相當于用戶終端，和手機、筆記本電腦等具有無線連接功能的設備類似；AP+STA模式既有服務器模式的功能又有客戶端模式的功能，當模塊處于服務器模式時，可與另一個具有服務器功能的模塊連接。這三種模式分別用在不同的場景[2]，本系統采用AP模式。ESP8266無線通信模塊電路如圖2所示。

圖2 ESP8266無線通信模塊電路圖

模塊供電電壓為3.3 V，當CH_PD引腳接高電平或VCC時(其余三個引腳懸空，也可接VCC)，由FLASH啟動進入AT系統。當CH_PD引腳接低電平時，模塊啟動進入系統升級模式，此時通過串口升級的方式對模塊內部進行升級[3]。

2.3 時鐘模塊電路

DS1302時鐘模塊引腳排列及電路連接如圖3所示。

圖3 DS1302時鐘模塊引腳排列及電路連接圖

VCC1與VCC2分別是主電源和備用電源，當主電源掉電時，時鐘模塊也能繼續正常運行。時鐘模塊由備用電源和主電源中電壓比較大的那個供電，當主電源比備用電源電壓高0.2 V以上時，主電源進行供電；當備用電源比主電源電壓高時，備用電源進行供電。X1，X2是時鐘芯片的振蕩源，外接32.768 kHz的晶振源。RST是復位引腳，當需要啟動所有的數據傳輸時，把復位引腳的輸入驅動置高電平。如果復位引腳處于高電平，則系統開始為數據傳輸做初始化任務，這時輸入輸出引腳變為高內阻狀態。系統剛上電開啟時，復位引腳要保持低電平狀態直到VCC大于2.5 V。只有脈沖引腳處于低電平狀態時，才可以把復位引腳置為高電平狀態[4]。

3 程序設計

串口中斷函數用來接收無線通信模塊的數據。當數據發送到單片機的串口數據接收緩沖區時，程序進入到串口中斷函數。先將緩沖區的數據賦給一個變量，再使用接收到的這些變量進行其他操作，完成想要實現的功能。串口中斷程序流程如圖4所示。

圖4 串口中斷程序流程圖

將定時模式與手動模式的控制程序放到串口中斷中，當串口接收到無線通信模塊的控制命令后，會將接收到的命令與提前設置好的命令進行比對，判斷是否需要進入定時模式，若進入定時模式，則進行定時模式的操作；否則進入手動模式，等待接收手動輸入的控制信號。

4 上位機界面設計

上位機界面采用LABVIEW軟件進行編寫，界面上設置了定時模式與手動模式的切換開關，并且手動模式的優先級高于定時模式，這提高了系統的實用性。程序設計采用事件結構和while循環結構，事件結構嵌套在while循環結構里面。事件結構的事件源為按鍵，不同的按鍵對應不同的事件，每一個事件都預設一個控制命令，當按鍵被按動時，其所對應的值就會發生改變而觸發事件并將預先設置好的命令發送出去。命令先是被寫入TCP數據控件，然后讀取TCP數據，再通過無線網卡把數據傳送到下位機。

圖5為系統上位機界面，界面上有模式切換按鈕、8間教室燈光控制按鈕，界面簡潔美觀。點擊模式切換按鈕，系統的工作方式即可在定時模式與手動模式之間切換，點擊燈光控制按鈕便可控制教室燈光的開關狀態。

圖5 上位機界面

5 結論

基于WIFI的教室燈光遠程控制系統采用STC89C52單片機作為下位機，通過判斷接收到的命令與預設命令是否一致來控制教室燈光的狀態。通過ESP8266 WIFI通信模塊實現上下位機通信，把從上位機傳來的數據發給單片機，實現最終的控制功能。該系統實現了手動、自動相結合的智能化管理，提高了電能使用效率，降低了人力成本，經過實驗驗證，該系統可使學校教室照明系統節電率達到25%以上，這不僅會使照明燈具的維修和管理費用大幅減少，而且也會延長照明燈具的使用壽命，因此該系統具有很高的推廣價值。