基于無線WIFI的智能家居燈光控制系統設計

袁月 曾春平 馬琨

摘 ?要： 本文基于智能家居的理念，設計了一種將無線WIFI技術與燈光控制相結合的智能家居燈光控制系統。該系統采用移動終端實現LED燈的開關控制和LED燈亮度變化的無線遠程遙控功能，具有成本低、傳輸速率高、可移動等優點，取代了傳統燈光控制耗時費力的有線控制。實驗測試結果表明，在10 m傳輸距離的范圍內，所設計的系統具有良好的開關性能和亮度控制功能，且便于移植和擴展，達到了預期結果。

關鍵詞： 單片機;WIFI技術;智能燈光控制;無線遠程遙控。

中圖分類號： TP202 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.046

本文著錄格式：袁月，曾春平，馬琨，等. 基于無線WIFI的智能家居燈光控制系統設計[J]. 軟件，2019，40（8）：203207+215

【Abstract】： Based on the concept of smart home， this paper designs a smart home light control system which combines wireless WIFI technology. The system uses mobile terminal to realize the switch control of LED lamp and the wireless remote control function of the change of LED lamp brightness， which has the advantages of low cost， high transmission rate and removable， which replaces the time-consuming and laborious wired control of traditional light control. Experimental results show that in the range of 10m transmission distance， the designed system has good switching performance and brightness control function， and is easy to transplant and expand， and achieves the expected results.

【Key words】： Single chip microcomputer; WIFI technology; Intelligent light control; Wireless remote control

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，消費者對健康舒適的生活環境提出了越來越高的要求[1]。燈光控制系統是人們生活環境中比較重要的系統之一[2]，但在日常生活中，為滿足各種照明需要而安裝的大量燈具控制開關分布極其不均，這對燈光控制有較大影響。目前，主流的家庭燈光控制系統是有線的，雖然系統結構比較簡單，但是布線不方便且不易改動，如當設備需要增減時，接線存在安裝復雜、能耗大、工期長、移動困難、難度大等缺點。隨著無線網絡技術的不斷發展，燈光控制技術得到了更簡便的技術支持。

無線網絡技術最初是一種基于計算機的通信技術，能夠實現無線網絡互連。隨著網絡技術的不斷發展，現有的無線網絡技術可以適應各種無線終端，實現無線數據通信和資源共享[3]。近年來，由于無線網絡傳輸速度，人們逐漸認識到無線網絡的明顯優勢和優異性能，從而以極快的速度推動了無線網絡技術在許多領域的應用。智能家居是互聯網影響下物聯網的體現，它通過物聯網技術將家中各種設備連接起來[4-5]，提供家電控制、燈光控制、電話遙控、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通空調控制、紅外轉發、可編程定時控制，提供全方位信息交互能力的各種功能和手段，智能家居最終目標是實現家庭的自動化管理和智能化管理[6-8]。智能家居燈光控制系統已成為智能家居中最受歡迎的子系統之一。特別是近年來，隨著人民生活水平的提高和房地產業的發展，人們對生活環境的要求越來越高，對生活環境的需求越來越多樣化，對一些智能照明系統的需求也在逐漸的增長。目前，對燈光控制存在著許多問題，如需要增加所需的照明類型成倍上升，如何規劃布局和布線，以及人力、物力和財力的成本[9]。為了有效地避免有線傳輸的缺點，有必要提出一種合適的無線通信傳輸方式。本文將無線網絡應用于燈光控制，有效地緩解了這一問題。

本文基于智能家居和無線網絡技術的概念，選擇了燈光控制為應用對象，使用手機智能終端作為控制設備，實現對LED燈的無線遠程控制。無線網絡中的WIFI技術是本文的主要研究方向。它不僅解決了傳統燈光控制系統布局和布線工程的難點，而且緩解了現有無線傳感器網絡燈光控制系統的傳輸速率低、延時長、可靠性差等問題，靈活組網方便快捷。

1 ?系統總體設計

根據上述分析，確定了智能家居無線燈光控制系統的總體方案由一個STM32F103C8T6單片機核心電路、兩個白色高亮度LED燈電路、WIFI模塊ESP8266電路、手機APP模塊和電源電路組成的無線控制系統。總電源和降壓電路向系統提供5V電壓。STM32通過WIFI模塊電路實時監控APP發送的命令數據，對命令數據進行解析后，根據解析后的命令，通過單片機的定時器產生不同的PWM信號，控制高亮LED燈的開啟、關閉和LED燈的亮度變化。本文設計的基于智能家居的燈光控制系統體系結構如圖1所示。

2 ?硬件電路設計

2.1 ?STM32F103C8T6單片機核心電路設計

本文所用的單片機控制芯片是STM32F103C8T6單片機，STM32系列處理器是基于32位ARM7的微控制器，支持實時仿真和跟蹤[10]。之所以選擇這款控制芯片，是因為本文設計不是追求最低功耗，而是在實現本設計功能的前提下能夠提供豐富的接口和功能來設計其它實驗系統項目所需的外圍擴展電路。此款控制芯片廣泛應用于各種控制領域，具有良好的實驗研究價值。

在本文設計中，STM32單片機的PA6引腳連接到LED1上，PA5引腳連接到LED2上;STM32單片機的PA9引腳連接到ESP8266芯片的Rx管腳，PA10引腳連接到Tx管腳。其中STM32F103C8T6單片機核心板接口電路圖2所示。

2.2 ?超高亮LED燈光電路設計

超高亮LED是一種新型的LED，其亮度是普通LED的近100倍以上。白色高亮度LED燈具有以下優點：壽命長、可靠耐用、維護成本極低、可連續使用105萬小時（理論值）、比普通白熾燈使用時間接近長100倍;效率高、發光效率可達百分之八十至百分之九十，比節能燈還能節能1/4;照明點亮速度快，可達到ns級。

本設計選用白色超高亮度LED燈作為照明燈。燈光控制的主要功能是接收移動終端的命令，控制燈的開關操作，調節燈光的亮度。

高亮LED照明電路原理如圖3所示，在該電路中，STM32的PA6、PA5與電阻R2、R3相連再分別和超高亮LED1、LED2連接，最后接+3.3V的電源。兩個電阻的作用的保護LED，防止在電源接通后，出現電流過大使得LED被燒毀。當STM32的PA5、PA6通過IO口輸入的是低電平時，超高亮LED亮起，當PA5、PA6輸入高電平時，超高亮LED不亮。

2.3 ?ESP8266型WIFI模塊控制電路設計

本系統采用WIFI模塊進行無線數據傳輸。WIFI是一種可以無線連接個人PC和手持設備等終端的技術，其目的是提高基于IEEE802.11標準的無線網絡產品之間的互操作性，該技術具有覆蓋范圍廣、傳輸距離長等優勢[11]。隨著無線網絡技術的發展，WIFI已成為現代人生活中不可缺少的一部分，可與4G/5G移動網絡通信技術等相關技術集成，具有廣闊的應用前景。

ESP8266系列芯片具有超高集成度、超低功耗、體積小等特點，它們是為移動設備和互聯網應用而設計的，可以將用戶的物理設備連接到無線WIFI網絡以進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能，非常適合無線控制。ESP8266芯片支持三種模式，即softAP模式、station模式和softAP+station模式[12]。softAP模式是無線接入點模式。ESP8266在softAP模式下工作等同于一個路由器，可以用它作為一個載體發射WIFI熱點。智能終端設備可以連接到ESP8266熱點，建立局域網。

在本文中，ESP8266芯片使用softAP模式，STM32F103C8T6單片機通過發送AT命令初始化ESP8266芯片。ESP8266芯片的RXD管腳與STM32的PA9相連，TXD與STM32F103的PA10相連，這兩個可以和5V單片機的RXD1、TXD1連接，經測試通信正常，無需5V轉3.3V，其中GND引腳接地，RST引腳是低電平復位，VCC引腳接3.3V，GPIO2、GPIO0引腳懸空，CH_PD引腳串聯個電阻然后電阻再接到VCC，不加電阻經過測試不行，電流太大。WIFI模塊電路圖如圖4所示。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?系統總體程序設計

系統運行流程圖如圖5所示。

第一步是將STM32單片機的系統時鐘初始化;

第二步初始化IO端口并初始化連接到LED的硬件接口;

第三步初始化定時器和串行端口，設置定時器的計數頻率與計數值和串行端口波特率;

第四步STM32單片機通過串口對ESP8266初始化，使ESP8266工作在softAP模式，允許連接，創建端口號等;

第五步實時監測WIFI串口是否接收到數據，如果接收到數據，對數據進行解析處理，如果沒有接收到數據，則繼續監測WIFI串口，直至接收到數據為止;

第六步對WIFI數據進行解析處理，根據解析得到的數據，設置PWM值來對LED進行控制，不同的解析數據控制LED不同的狀態，LED控制完成后，STM32持續監控WIFI串行端口數據。其數據指令由移動終端發送。

3.2 ?LED亮度控制程序設計

3.2.1 ?PWM調節LED亮度原理

LED是一個二極管，可實現快速開關，其速度是任何發光裝置都無法比擬的。因此，只要采用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調制調光法，即PWM調光法。

PWM調光法有兩個重要參數，一個是脈沖頻率的選擇，另一個是定時器比較值的選擇。脈沖頻率的選擇是因為LED處于快速開關狀態，如果工作頻率較低，人眼會感到閃爍。為了充分利用人眼的視覺殘留現象，其工作頻率應高于100 Hz，雖然100 Hz以上人眼無法檢測到它，但它是人類聽力的范圍，直到20 kHz。如果頻率低于20 kHz，調光時會引起嘯聲，解決這個問題的一種方法是將開關頻率提高到20 kHz以上，就跳出了人耳聽覺的范圍。然而，過高的頻率會導致一些問題，從而導致脈沖波形失真。為了避免脈沖波形失真，本文將脈沖頻率調整為10 kHz，這個頻率人耳已經不敏感了。

在使用PWM調節LED的亮度時并不靠改變功率，而是靠LED亮、滅交替。當亮、滅交替夠快時，肉眼會認為LED一直在亮。在LED亮、滅的過程中，滅的狀態持續時間越長，LED給肉眼的觀感就是亮度越低。點亮的時間越長，滅的時間就相應減少，LED就會變亮。控制LED亮與滅的時間主要是選擇定時器的比較值，當比較值比相對較小時，脈沖低電平時間較短，亮度較暗，反之亮度較高。如圖6所示。

3.2.2 實現方式

當STM32監測WIFI串口接收到數據時，通過監測的數據來控制LED的狀態，其對應方式如表1所示。

當移動終端設備連接ESP8266發出的WIFI后，可通過監測得到的數據對LED進行控制。本文將LED控制分為整體控制和分組控制兩部分。整體控制分為將LED全部開啟和關閉;分組控制將兩個LED分開控制，分別實現LED的開啟和關閉，開啟時默認最高亮度，然后可以選擇LED的亮度檔位，本設計實現三種亮度檔位之間的變換，三種亮度檔位分別是PWM占空比為30%、60%和100%。完成一次控制結束后，STM32單片機繼續監控WIFI串口數據。

4 ?實驗與驗證

4.1 ?系統整體性能測試

通過移動終端連接ESP8266WIFI模塊熱點，數據命令通過移動終端發送，從而成功實現對LED燈進行無線遠程控制，通過不同的數據指令成功控制不同LED燈的開啟狀態及關閉狀態和控制每個LED處于不同亮度等級的開啟狀態，達到了預期的效果。

打開移動終端的控制界面，分別對系統的LED開關控制與亮度變化等進行功能測試，確認LED的控制功能和預期結果一致，系統整體功能的測試如表2所示。

4.2 ?系統有效傳輸距離測試

為智能家居燈光控制系統的有效傳輸距離測試結果如表3所示，其中0表示數據傳輸成功，1表示數據傳輸失敗。傳輸數據失敗原因可能是距離過遠導致數據丟失。從表3可以看出，數據傳輸正常的距離范圍為10 m。

4.3 ?LED燈開關性能測試

在系統傳輸數據的有效距離范圍內，進行燈光設備的開關測試，使用兩個超高亮LED進行測試，燈光設備的遠程控制由移動客戶端的命令控制實現。本次燈光設備的開關測試次數為60次，測試結果見表4，LED1和LED2在測試過程中每次都正常打開，反應時間極短。

5 ?結語

智能家居燈光控制系統是一項不斷成熟且具有良好發展前景的技術。目前，我國在該領域還處于小規模、高精尖的應用階段，但在不久的將來會將其廣泛應用于普通家庭場所。它將給人們的日常生活帶來許多便利。本文簡單描述了目前廣泛應用的無線網絡技術和智能家居的概念，設計開發了一種基于WIFI傳輸的燈光控制系統。通過該系統，將各種指令傳輸到前端燈光設備，實現對燈光的多樣化控制，有效避免了不必要的布置和布線，且方便進行移植和擴展。

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