基于ESP8266的智能家居燈光控制系統(tǒng)

李奕軒,李鵬程,肖永軍,夏亞輝,周永婕

(湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000)

近年來，伴隨著社會的發(fā)展及生活節(jié)奏不斷加快，繁忙的工作、父母的希望以及同輩之間的競爭已經(jīng)使得當(dāng)代人的生活越發(fā)沉重，生活壓力不斷提高，致使人們始終對良好休息環(huán)境的需求不斷增強，越來越看重居家中的生活細(xì)節(jié)。因此，在家中實現(xiàn)便捷、安全和溫馨的環(huán)境，同時可防犯家中外人入侵或能及時自動報警的需求越來越廣泛[1-2]。現(xiàn)在電子行業(yè)的開發(fā)速度加快，琳瑯滿目的產(chǎn)品讓人們應(yīng)接不暇，將先進(jìn)的技術(shù)和人們想要的溫馨生活相結(jié)合，便促使了智能家居的產(chǎn)生，因而研究監(jiān)測外人入侵以及家庭環(huán)境監(jiān)測、燈光控制為一體的控制系統(tǒng)具有重要的意義及應(yīng)用價值[3-7]。

本文嘗試以ESP8266為核心，搭配溫濕度傳感器、人體熱釋電傳感器、12位5050封裝RGB彩燈以及電源模塊，設(shè)計并制作了智能家居燈光控制系統(tǒng)，最終設(shè)計并制作了實物及WEB控制端，取得了較好的效果。

1 智能燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能家居燈光控制系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示，其主要由ESP8266開發(fā)板、人體熱釋電傳感器、DHT11溫濕度傳感器、燈光驅(qū)動及RBG燈和WEB服務(wù)器構(gòu)成。其中ESP8266開發(fā)板采用ESP-12F系列的Wifi驅(qū)動模塊，主要完成對下(聯(lián)系下層硬件資源，如溫濕度傳感器和人體熱釋電以及RGB燈光)和對上(WEB服務(wù)器)的控制及服務(wù)。人體熱釋電傳感器為HC-SR501模塊，其針對人體的檢測半徑大約是5 m，角度是120°，用于檢測房間內(nèi)是否有外人入侵。DHT11溫濕度傳感器為集成化一體式傳感器，用于感測系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度信息。燈光驅(qū)動及RBG燈采用集成式的12位環(huán)形5050封裝的RGB燈光組，內(nèi)置WS2812D驅(qū)動，支持Arduino系統(tǒng)的直接開發(fā)與連接。WEB服務(wù)器可以采用獨立開發(fā)，也可以采用一些公用的云平臺，如機智云、阿里云、騰訊云等。主要負(fù)責(zé)與ESP8266網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行通信，從而使用戶在手機端或者網(wǎng)頁端實時查看信息或者發(fā)送相關(guān)指令。

1.1 ESP8266開發(fā)板最小系統(tǒng)設(shè)計

SEP-12F系列(ESP8266的增強版)ESP8266的內(nèi)部集成了Mode MCU，該MCU上有9個IO口(GPIO5、GPIO4、GPIO0、GPIO2、GPIO15、GPIO16、GPIO14、GPIO12和GPIO13)，而且還帶一路ADC轉(zhuǎn)換引腳，以及串口通信引腳TXD和RXD，板載VCC和GND。板子上更是增加了SPI口的引出口，同時Arduino IDE為其開發(fā)了MCU庫資源[8-10]，通過串口連接到電腦端的Arduino軟件，即可進(jìn)行編程開發(fā)，從而完成通信以及底層硬件的控制，使得開發(fā)更為便捷容易。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2 ESP8266及MCU最小系統(tǒng)原理圖

基于ESP8266開發(fā)板的最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示，在本次設(shè)計中，ESP8266既負(fù)責(zé)聯(lián)網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)端的WEB或者手機進(jìn)行通信，又利用自身的Node MCU控制著相關(guān)的硬件，如燈光系統(tǒng)(工作電壓5 V，可接收3.3 V的PWM脈沖)、DHT11溫濕度傳感器(接3.3 V電壓)以及人體熱釋電傳感器(5 V工作電壓，但是輸出信號為3.3 V)[11-13]。

1.2 燈光模塊控制電路設(shè)計

為方便進(jìn)行燈光控制，采用了集成化一體的外控LED光源，即WS2812全彩LED，其內(nèi)部集成了控制所需的接口電路，諸如電源穩(wěn)壓電路、內(nèi)置恒流、高精度RC振蕩等電路，LED的控制采用PWM方式。

1.2.1 WS2812D全彩LED驅(qū)動

如圖3所示，全彩LED上集成了WS2812D驅(qū)動IC以及LED光源，其為一體式結(jié)構(gòu)，共同集成在直徑為5 mm的貼片燈珠內(nèi)，構(gòu)成一個相對完整的像素點(外部控制)，其內(nèi)部的任何一個像素點收到信號后均整形后再次輸出。其采用四腳貼片封裝，1腳為GND，2腳為DI，3腳為VCC，4腳為DO，外部控制信號從2腳DI輸入，從4腳DO輸出。由于內(nèi)部進(jìn)行了集成，其工作電壓為5～7 V。其在實際應(yīng)用中，往往不是一個單個的燈珠，而是多個串聯(lián)進(jìn)行應(yīng)用。

圖3 5050貼片全彩LED實物圖及電路圖

1)單株芯片的驅(qū)動控制。該芯片為全彩的LED芯片，內(nèi)部由RGB三個控制二極管構(gòu)成，需要24位數(shù)據(jù)來依次完成該芯片的像素控制，其中每種顏色使用8位二進(jìn)制數(shù)，控制的順序的GRB(綠色—紅色—藍(lán)色)。8位二進(jìn)制數(shù)剛好可以表示255級變化，與實際使用的顏色想對應(yīng)，以G顏色表示，若需要該種顏色的亮度越大，需要寫入255，即表示的8位為11111111；若需要關(guān)閉該顏色，則寫入0(也可以認(rèn)為亮度最小)，即00000000。根據(jù)三基色原理，若移入的24位值分別不同，可以形成不同亮度的RBG色彩，最終可以混色成為自然界中的任何一種顏色。當(dāng)然若需要表示為白色，則24位值全部寫入1即可，即每個成分均為255。

24位中的每一位的表示如圖4所示，其要求如下：

邏輯低電平：0.35 μs的高+0.8 μs的低電平；

邏輯高電平：0.7 μs的高+0.6 μs的低電平。

按照對應(yīng)的寬度拉高拉低IO口即可實現(xiàn)不同的“0”和“1”輸出。

圖4 芯片的邏輯低和高電平的表示

2)多顆芯片的驅(qū)動控制實現(xiàn)。當(dāng)需要多顆芯片工作應(yīng)用時，其實現(xiàn)的原理如圖5所示，PWM信號從第一顆的LED的DI引腳輸入，從其DO引腳輸出，芯片內(nèi)部自動移位輸出(而且進(jìn)行了波形整形)，每移過一個芯片，其數(shù)據(jù)則減少24位。

圖5 系統(tǒng)工作狀態(tài)指示電路圖

1.2.2 12位環(huán)形5050 LED燈光模塊及接口電路設(shè)計

如圖6所示，其為12位環(huán)形LED燈模塊，即為全彩的WS2812D構(gòu)成的RGB燈光模塊，控制信號從LED1的2腳DI輸入，從DO引腳輸出，多個LED級聯(lián)形成電路，同時在模塊上配置了104貼片電容作為去耦電容。同時模塊間也可以級聯(lián)，其可以對下一級輸出，也可以接收上一級的輸入。在控制中，1腳接入PWM信號(由控制器產(chǎn)生)，2腳為空，3腳接電源VCC(本例中為5 V電源)，4腳接地。由于控制器模塊的電源為3.3 V，其輸出的PWM信號也為3.3 V，該電路可以

圖6 12位環(huán)形LED燈模塊內(nèi)部電路圖

兼容3.3 V和5 V脈沖，使得控制能夠得以順利實現(xiàn)。

2 智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

ESP8266板載MCU軟件執(zhí)行總流程圖如圖7所示，MCU控制器上電初始化，主要為設(shè)置串口波特率、網(wǎng)絡(luò)連接模式、初始化光帶及亮度。之后進(jìn)入循環(huán)LOOP任務(wù)。

在任務(wù)中，首先判斷溫濕度數(shù)據(jù)讀取是否失敗，若失敗，延時1 s后繼續(xù)判斷，直到溫濕度數(shù)據(jù)讀取成功。隨后讀取并保存溫濕度數(shù)據(jù)信息，并設(shè)置人體紅外檢測信息。之后將上述數(shù)據(jù)信息設(shè)置為既定格式，發(fā)送至服務(wù)器。完成后，等待服務(wù)器返回數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)返回，則數(shù)據(jù)的長度大于0；否則無數(shù)據(jù)返回，直接退出。若有數(shù)據(jù)返回，則打印輸出接收到的數(shù)據(jù)，并同時進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)指令處理，之后進(jìn)行軟件喂狗，最后返回，繼續(xù)執(zhí)行LOOP循環(huán)。以此往復(fù)執(zhí)行。

圖7 板載MCU系統(tǒng)軟件執(zhí)行總流程圖

3 測試及結(jié)果分析

3.1 測試實物制作及WEB端軟件設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計焊接了實物，如圖8所示，板子上存在ESP8266最小系統(tǒng)板、DHT11溫濕度傳感器、人體熱釋電傳感器、12位5050封裝的RGB彩燈模塊。整個實物采用USB進(jìn)行供電，同時設(shè)置了LM1117三端穩(wěn)壓電源，將輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V輸出，并經(jīng)過電容平滑濾波后送給ESP8266的內(nèi)部CPU使用。

同時基于spring下的JAVA編程語言設(shè)計了WEB端控制軟件。首先登錄設(shè)計的WEB端網(wǎng)頁(118.89.31.89∶8899/rgb/user-lpgin.html)，并輸入輸入用戶名“admin”和六位密碼，以及隨機的驗證碼后，即可進(jìn)入welcome界面(首頁面)，可以在頁面中完成如下操作和測試實驗：溫濕度傳感器數(shù)據(jù)讀取、熱釋電傳感器數(shù)據(jù)讀取與測試以及智能燈光測試實驗。

圖8 系統(tǒng)硬件實物圖

3.2 測試結(jié)果分析

1)溫濕度傳感器信息獲取及熱釋電傳感器測試。采用的測試方案為：不同的溫度采用打火機炙烤，不同的濕度采用加濕器進(jìn)行環(huán)境加濕。每組數(shù)據(jù)測量5次，計算平均值。通過將本設(shè)計的實物測試結(jié)果與市售的溫濕度結(jié)果進(jìn)行比對測試，以判斷其測量準(zhǔn)確性。具體的測試數(shù)據(jù)如表1所示，從表中可以看出，本系統(tǒng)測量的環(huán)境溫濕度信息與市售的測量結(jié)果一致，說明本系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，能及時采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度信息以及是否有人信息，進(jìn)而上傳至WEB服務(wù)器端。

表1 系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)對比表

2)燈光控制測試。燈光控制的操作主要是手工操作及現(xiàn)象觀察，具體如下：默認(rèn)狀態(tài)下，燈光是關(guān)閉的；點擊頁面下方燈泡進(jìn)行開燈操作，則頁面會顯示“開燈成功”。觀察到實物的燈光打開，同時WEB頁面上進(jìn)一步顯示彩色的燈泡，其下方的按鈕則激活顯示，諸如調(diào)節(jié)亮度進(jìn)度條、更改顏色按鈕和模式選擇列表框。可點擊更改燈光的顏色、調(diào)整亮度或者流水花色等功能，下位機實物硬件均會呈現(xiàn)相應(yīng)的變化。

4 結(jié)論

經(jīng)過實驗測試，在WEB端進(jìn)行操作，可以實時查看下位機系統(tǒng)端的環(huán)境溫濕度信息，是否有人等信息，以及對燈光的操作。且操作成功后，無論是頁面端還是實物端，均有相應(yīng)的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，系統(tǒng)能準(zhǔn)確接收WEB端傳輸?shù)拿钚畔ⅲ部蓪崟r向WEB端傳輸所需的反饋信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計所需功能。