Wi-Fi智能LED控制器的研究

牛 犇，朱文章

（厦门理工学院，厦门 361000）

0 引言

我国是能源消耗大国，国家能源“十二五”规划中明确，要大力发展节能降耗技术[1,2]。LED照明因其具有的无与伦比的优势[3～5]而广泛被市场所认可和接纳。但是，就目前LED照明技术而言，LED照明技术的开发和完善还有很长的路要走[5～10]。例如，如何使LED驱动更加稳定，寿命更久；LED光源品质的提升、LED智能化进步等等，都需要科研技术人员的再接再厉，不断钻研。

作为LED智能照明中很重要的一个环节——智能控制器，科研技术人员也一直在做着不断的创新与完善，力求研究出更加智能化的控制器，为用户创造更加舒适便捷的照明体验[11～15]。

目前，应用于LED控制的无线技术方案，主要有红外控制，蓝牙，ZigBee和Wi-Fi等几种方案。王东波等[16]中提出了一种基于蓝牙控制的家庭智能照明系统，理论上可以通过手机对照明系统实现星形拓扑结构的一对多控制，但由于蓝牙版本的多样化兼容问题和蓝牙连接最大节点数限制，使蓝牙在智能灯光系牙的节点限制等问题，蓝牙作为LED智能控制器的通信方式，其发展受到限制；文献[17，18]分别提出了将ZigBee技术应用于小功率LED照明系统和LED路灯照明系统的观点，一定程度上解决了LED远距离控制的问题，但由于ZigBee技术的传输速率仅为250kb/s，这样一定程度上限制了大数据量的数据传输的其他更丰富的照明应用需求，另外，由于ZigBee不同版本间的不兼容问题和大量节点开发的高昂成本问题，也对后续开发造成了一定的问题。此外，对于通信方式的安全性，也不得不给与更多的重视。

针对上述问题，本文选择Wi-Fi作为智能控制器的通信方式，解决了大数据量的通信需求的同时，在数据安全与节能更是有着不俗的表现。

1 控制方案设计

设计方案：

如图1所示，为系统的主要设计方案，本文中所设计的智能控制器（内嵌于LED灯具内部），可以通过Wi-Fi的AP直连和Wi-Fi通过路由器/网关连接两种方式通过手执设备控制LED灯具。除调光、调色温、色彩氛围调节（灯具允许）等基本功能外，还能够通过控制器外部集成的人体红外传感器、光照传感器、温湿度传感器对系统进行自适应调节，满足日常照明控制需求的基础上，实现更加丰富、智能的感官体验。

图1 系统设计方案

2 控制器硬件设计

本文中所设计的智能控制器硬件主要由两部分构成： Wi-Fi通信模块电路和主控制器MCU电路。系统硬件结构图如图2所示。

图2 控制器硬件结构图

2.1 传感器选型

2.1.1 光照传感器

光敏传感器采用KY-018光敏电阻模块，此模块灵敏度高，响应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点，能够在高温，潮湿条件下保持较高的稳定性，能广泛应用于多种自动开关控制领域，能较好的适应家庭室内环境变化。

2.1.2 人体红外传感器

本设计采用HC-SR501人体红外感应模块，此模块采用德国进口的LHI778头对红外信号进行采集，并通过红外热释电处理芯片BISS0001对信号进行处理，并输出高低电平。此模块通过跳冒切换可选择L（不可重复触发）和H（可重复触发）两种触发方式；5-200S可调延时时间范围；工作温度范围广，检测距离3～7米，可以很好的满足家庭室内环境的需求。

2.1.3 温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有抗干扰能力强，响应快，体积小，功耗低等优点，在拥有较高的性价比的基础上，能保证极高的可靠性和长期的工作稳定性。单线制串行接口，方便集成，传输距离可达20米以上，适应很多苛刻环境。

2.2 通信模块电路设计

本系统中选用HF-LPB100超低功耗嵌入式Wi-Fi模快，此模块提供UART串口等接口传输数据的解决方案，硬件集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持Wi-Fi协议及配置和TCP/IP协议栈，传统的低端串口设备或MCU控制设备都可以很方便的通过它接入Wi-Fi网络，本设计中，采用其支持的AP直连和路由器/网关两种连接方式。

Wi-Fi模块硬件电路设计中，集成了指示灯电路和四个功能按键来满足不同的需求，将各通信引脚引出，满足不同的扩展需求，考虑LED灯内空间有限，PCB设计50mm×40mm的插针式双层板，方便接插于单片机控制板上节省空间。其实物图如图3所示。

图3 Wi-Fi模块电路设计

2.3 MCU电路设计

MCU采用Atmel公司的ATmega2560八位单片机。此单片机具有56路数字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模拟输入接口，4路UART接口，6路外部中断，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V两种电源接口，适用于大量IO接口设计和PWM需求。

选择此款芯片，主要考虑其方便的PWM功能及其A/D转换功能以及ATmega2560系列芯片程序设计的简化，PWM信号可直接与外部设备相连，使得所设计的外围电路得到大大简化，程序设计方便，成本得到降低。PCB设计为50mm×50mm的带插槽模式，方便与Wi-Fi电路板接插。所有要用到的引脚均已用插针形式引出，方便接插传感器和PWM控制端。

其中，除振荡电路为MCU提供基础的频率时钟外，本设计中还单独设计了基于DS1307Z+时钟芯片的高级时钟电路，用来提供高级时钟功能。电路设计使用超级电容电路来为时钟芯片供电，省去了纽扣电池，以此提高电路的使用寿命和降低成本。

本设计中的电压稳压降压采用LD1117低压差线性稳压器，将5V电压转换为3.3V供给Wi-Fi模组使用，此稳压源允许输入的最高电压为16V，可提供1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和可调电压输出；其输出电压精度可控制在1%范围内；输出电流范围1mA-1A；具有很好的线性调整率和负载调整率。其设计实物图如图4所示。

图4 MCU设计

3 系统软件设计

3.1 主程序（如图5所示）

图5 主程序流程图

3.2 LED光、色调节子程序（如图6所示）

图6 子程序1

3.3 光照传感器子程序（如图7所示）

图7 子程序2

3.4 人体红外传感器子程序（如图8所示）

图8 子程序3

4 系统测试

如图9所示，分别最高色温、20%亮度，中间色温、60%亮度，最低色温、100%亮度。实验数据显示，手持移动终端控制信号与占空比信号一致，智能信号控制灯的亮度与色温较稳定，能够通过手持设备和传感器达到无极调光和多种色彩场景的调节效果，达到了研究目的，有一定的使用价值。

图9 占空比测试

5 结束语

目前，Wi-Fi技术在智能LED家居照明领域，已经有了一定程度的研究和发展。本技术在LED照明领域能起到一定的补充作用，并且具有较好的扩展能力，通过其开放接口，可广泛应用于其他智能家居产品，具有一定的实际意义和使用价值。

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