基于ESP8266 的智能燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

亓相濤，馬凱凱，王衛(wèi)國(guó)

（1.武漢商學(xué)院，湖北 武漢 430056；2.山東魯軟數(shù)字科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，生活和工作中的燈光照明方式在不斷地更新，各種照明燈具功能更加貼近使用者的需求[1-4]。無(wú)線傳輸技術(shù)的進(jìn)步使得燈光控制進(jìn)入了聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控時(shí)代，傳統(tǒng)的單線連接單開(kāi)關(guān)控制已經(jīng)慢慢退出了應(yīng)用舞臺(tái)。以城市路燈照明系統(tǒng)為例，過(guò)去的路燈多為白熾燈，耗能高，且采用單燈單控或單線路串聯(lián)集中控制，而最新的各省市智慧城市路面照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本都實(shí)現(xiàn)了無(wú)線聯(lián)網(wǎng)控制[5-6]。單個(gè)照明立柱平臺(tái)預(yù)先埋入了多個(gè)無(wú)線控制終端，可以實(shí)現(xiàn)路燈照明強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，并可以檢測(cè)照明線路的通斷和反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)各燈具終端狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。預(yù)留的終端控制線路還可以連接其它立柱平臺(tái)供電設(shè)備，如節(jié)日禮燈、交通導(dǎo)引屏幕及路面監(jiān)控?cái)z像頭設(shè)備等[7-8]。在城市路燈系統(tǒng)的無(wú)線控制過(guò)程中遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)LoRA、4G 或5G 通信實(shí)現(xiàn)。人們工作和生活中的室內(nèi)照明燈具終端設(shè)備與控制端距離一般在20 m 以內(nèi)，可以通過(guò)藍(lán)牙、ZigBee 或WiFi 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。對(duì)比藍(lán)牙、ZigBee 與WiFi 技術(shù)，從功耗來(lái)看，藍(lán)牙與ZigBee 耗能低，WiFi 模塊的能耗相對(duì)較高；從模塊的實(shí)時(shí)性來(lái)看，WiFi 的優(yōu)勢(shì)要高于藍(lán)牙與ZigBee 技術(shù)；從室內(nèi)場(chǎng)所的設(shè)備通信模塊普及率來(lái)看，WiFi 信號(hào)在家庭和工作場(chǎng)所覆蓋率要高很多[9-10]。因此，本文以WiFi 傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，完成一款智能燈光控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體功能

智能燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)劃分為主控模塊、外圍控制模塊、電源模塊及下載模塊，如圖1 所示。

圖1 智能燈光控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主控模塊主要完成ESP8266 控制器的輸入輸出引腳連接、主控芯片上電復(fù)位及主動(dòng)按鍵復(fù)位。外圍控制模塊主要實(shí)現(xiàn)燈光設(shè)備的連接控制、繼電器設(shè)備的控制、傳感器信號(hào)采集控制及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊控制。其中：燈光控制細(xì)化了4 個(gè)終端，分別為單控制燈及紅綠藍(lán)三種彩色燈；繼電器控制為強(qiáng)電控制預(yù)留了接口；傳感器信號(hào)采集控制可以根據(jù)采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)，為自動(dòng)控制燈光狀態(tài)提供決策信號(hào)源；模數(shù)轉(zhuǎn)換部分可以接入光敏設(shè)備或旋鈕電壓控制器以自動(dòng)或主動(dòng)調(diào)節(jié)燈光狀態(tài)及強(qiáng)度。

整體硬件系統(tǒng)采用5 V 電源接入供電，使用AMS117 轉(zhuǎn)換5 V 到3.3 V，為ESP8266 及其他模塊供電。下載模塊選用了CH340C 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)USB 線路燒寫數(shù)據(jù)到終端。

2 ESP8266 主控模塊

智能燈光控制系統(tǒng)選擇ESP8266 為硬件控制中心，ESP8266 器件具有WiFi 通信的功能，內(nèi)部封裝了WiFi 的協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)耐競(jìng)鞴δ?，通過(guò)串口的AT 指令控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)及接收外界傳回的數(shù)據(jù)并保存。控制器支持硬件信號(hào)發(fā)布AP 模式、單STA 終端接入模式及AP 與STA 實(shí)時(shí)切換模式。AP 模式下控制器的天線可以將信號(hào)以輻射方式發(fā)送，通過(guò)產(chǎn)生WiFi 熱點(diǎn)提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)，允許其他設(shè)備通過(guò)用戶名和密碼驗(yàn)證接入或無(wú)驗(yàn)證接入；STA模式下終端設(shè)備作為接入方搜索到其他AP 信號(hào)源并申請(qǐng)接入，支持TCP 與UDP 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266 芯片多數(shù)IO 引腳資源及串口資源在WiFi 數(shù)據(jù)發(fā)送接收功能上發(fā)揮了作用，外展出的引腳有22 根。其中8 號(hào)和9 號(hào)引腳用于供電，并采用3.3 V 供電；3 號(hào)引腳為芯片使能端高電平有效，當(dāng)多個(gè)ESP8266 協(xié)同工作時(shí)該引腳起使能控制作用，本設(shè)計(jì)添加10 kΩ 的電阻接3.3 V 電源上拉保持高電平狀態(tài)；1 號(hào)引腳為復(fù)位信號(hào)端，平時(shí)為高電平狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到該引腳有低電平信號(hào)且持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)則芯片復(fù)位重啟。復(fù)位電路分為上電復(fù)位與按鍵主動(dòng)復(fù)位，其電路連接如圖2 所示。

圖2 智能燈光控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

ESP8266 主控器芯片2 號(hào)引腳為模擬信號(hào)輸入引腳，芯片采集輸入的信號(hào)電壓值，通過(guò)修改esp_init_data_default.bin二進(jìn)制文件的第107 字節(jié)數(shù)據(jù)，可以在芯片內(nèi)部設(shè)定參考電壓，數(shù)值在0 ～3.3 V 之間。ESP8266 的第6、7、10 號(hào)引腳分別為GPIO12、GPIO13、GPIO15，連接紅綠藍(lán)三色LED燈，高電平點(diǎn)亮使能。ESP8266 的第5 號(hào)引腳為GPIO14，連接報(bào)警揚(yáng)聲器模塊，高電平報(bào)警使能。ESP8266 的第4 號(hào)引腳為GPIO16，連接繼電器控制模塊，繼電器模塊的常閉或常開(kāi)端連接36 V 以上的燈光照明模塊，高電平供電使能。ESP8266 的第14 號(hào)引腳為GPIO5，連接數(shù)字化溫濕度傳感器模塊，串行數(shù)據(jù)輸入輸出。ESP8266 的第12、13 號(hào)引腳為GPIO0 與GPIO4，連接兩個(gè)按鍵SW1 與SW2，按鍵按下輸入低電平，松開(kāi)輸入高電平。其中SW1 同時(shí)具有數(shù)據(jù)下載指示的功能，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，檢測(cè)到GPIO0 引腳有電平信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)用程序下載進(jìn)程。引腳連接如圖3 所示。

圖3 ESP8266 電路連接

ESP8266 控制器的GPIO16 引腳除了具備基本的輸入輸出功能外，還具有低功耗睡眠模式喚醒功能。當(dāng)該引腳由低電位跳轉(zhuǎn)為高電位時(shí)系統(tǒng)由低功耗睡眠模式退出進(jìn)入工作模式?？刂菩酒腉PIO4 與GPIO5 分別對(duì)應(yīng)SDA 與SCL，可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)I2C 的功能。芯片的GPIO12、GPIO13、GPIO14、GPIO15 分別對(duì)應(yīng)SPI 功能的MISO、MOSI、SCLK、CS。EPS8266 的所有輸入輸出引腳都可以加載實(shí)現(xiàn)PWM 的功能。控制芯片的輸入輸出引腳在控制板載外圍電路上，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了復(fù)用的接口，將可使用的引腳以雙列直插的排針為底座引出，當(dāng)使用板載電路時(shí)用跳線帽連接使用端，可以使用跳線引出進(jìn)行其他控制。

3 燈光控制模塊

智能燈光控制系統(tǒng)的硬件采用了紅綠藍(lán)三色的LED 模塊，LED 為共陽(yáng)性5 V 供電，負(fù)極端連接1kΩ 的電阻并與NPN 三極管的共發(fā)射極運(yùn)算放大電路連接。在三極管的集電極端引出測(cè)試引腳，調(diào)試階段可以檢測(cè)發(fā)光二極管的功能可用性。燈光控制電路如圖4 所示。

圖4 燈光控制電路

強(qiáng)電燈具的通斷需要通過(guò)繼電器進(jìn)行控制，繼電器模塊控制板驅(qū)動(dòng)采用雙NPN 三極管共發(fā)射極放大電路級(jí)聯(lián)的方式完成，在繼電器接入端增加了穩(wěn)壓二極管，增強(qiáng)了電路的安全性。繼電器控制電路如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了蜂鳴音頻提醒功能，在GPIO16 引腳上接入NPN 三極管的驅(qū)動(dòng)，連接自鳴的音頻模塊，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警預(yù)警、定時(shí)提醒、按鍵音提醒等功能。音頻控制電路如圖6 所示。

圖6 音頻控制電路

智能燈光控制系統(tǒng)的燈光強(qiáng)度可以根據(jù)使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，ESP8266 通過(guò)GPIO5 引腳連接溫濕度傳感器，通過(guò)2 號(hào)引腳接入ADC 信號(hào)，檢測(cè)環(huán)境的光照強(qiáng)度。本系統(tǒng)選用的是DHT11溫濕度傳感器，該傳感器支持?jǐn)?shù)字型輸入輸出，采用單總線模式。GPIO5 號(hào)引腳接入4.7 kΩ 的上拉電阻至3.3 V 電源，當(dāng)信號(hào)線輸入18 ～30 ms 低電平信號(hào)時(shí)DHT11起始響應(yīng)并發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)答標(biāo)志為引腳拉高后的83 μs 的低電平信號(hào)。隨后ESP8266 進(jìn)入輸入模式，接收來(lái)自DHT11的一組溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器電路連接如圖7 所示。

圖7 溫濕度傳感器控制電路

燈光照明系統(tǒng)若應(yīng)用在無(wú)人控制場(chǎng)景，則需要感應(yīng)檢測(cè)環(huán)境的光照強(qiáng)度以自動(dòng)控制燈光照明。系統(tǒng)中ESP8266 的ADC 引腳連接了光敏電阻，其與3 個(gè)電阻并串聯(lián)。當(dāng)光照強(qiáng)度極弱時(shí)ADC 引腳端輸入趨向0.628 V；當(dāng)光照達(dá)到極大值，光敏電阻阻值趨向于0，ADC 引腳端輸入趨向0。電路如圖8 所示。

圖8 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路

電路中ADC_A、ADC_B 為跳線連接引腳，如有其它模擬信號(hào)輸入可連接至ADC_A 引腳上，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際電路再做運(yùn)算。

4 供電及數(shù)據(jù)下載

智能燈光控制系統(tǒng)使用Mini_USB 接口供電，一般供電電壓為5 V，同時(shí)該USB 接口還可以完成ESP8266 芯片的程序下載。ESP8266 芯片供電電壓為3.3 V，因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)使用AMS1117-3.3 完成5 V 至3.3 V 的電壓轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了USB 轉(zhuǎn)串口電路，方便直接使用USB 線接入上位機(jī)電腦下載程序，轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為CH340C，該芯片具有自己的內(nèi)部晶振，在時(shí)間精度允許的情況下可以使用自帶的時(shí)鐘電路。供電及下載電路如圖9 所示。

圖9 供電及下載電路

ESP8266 芯片的內(nèi)部FLASH 有多種型號(hào)，常見(jiàn)的為8 MB，其中存儲(chǔ)空間劃分了多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4 KB 大小。WiFi 主控芯片程序的下載文件有多個(gè)，分別為：eagle.flash.bin、eagle.irom0text.bin、blank.bin和esp_init_data_default.bin。前兩個(gè)為主程序編譯生產(chǎn)的代碼，blank.bin 為初始化系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)，esp_init_data_default.bin為初始化射頻參數(shù)數(shù)據(jù)。在8 MB 的FLASH 存儲(chǔ)空間的芯片數(shù)據(jù)下載過(guò)程中，將eagle.flash.bin寫入0X00000起始的空間中，eagle.irom0text.bin 寫入0X10000 起始的空間中，blank.bin 寫入0x7FB000和0x7FE000起始的兩段空間中，esp_init_data_default.bin寫入0x7FC000 起始的空間中。系統(tǒng)的下載軟件工具可選擇ESP8266_FLASH_DOWNLOAD_TOOLS。使用下載工具選擇好下載二進(jìn)制文件并進(jìn)行串口連接就緒后，點(diǎn)擊下載。此時(shí)硬件終端操作需要將ESP8266 的GPIO0 引腳接入低電位；然后按下復(fù)位按鍵，進(jìn)入多程序文件下載過(guò)程。下載結(jié)束后將ESP8266 的GPIO0 引腳電位拉高，系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)入程序自運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以核心處理芯片ESP8266 為控制中心完成的；對(duì)比了藍(lán)牙、ZigBee、LoRA 技術(shù)，系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸選擇了WiFi 的信號(hào)傳輸方式。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)燈光控制系統(tǒng)硬件的主控模塊、外圍控制模塊、電源模塊及下載模塊四部分展開(kāi)設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了中控處理器ESP8266 各引腳的線路連接、紅綠藍(lán)三色LED 燈控制連接、傳感器模塊與繼電器模塊的控制連接、電源供電芯片的選擇連接及系統(tǒng)程序下載的操作。系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)經(jīng)后續(xù)PCB繪制、打板焊接測(cè)試后，證明其功能和性能與預(yù)期相符，能較好地實(shí)現(xiàn)主動(dòng)無(wú)線控制燈光照明及檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)控制燈光照明。