基于WIFI 的智能灯光控制系统设计

2020-06-18张庆松重庆科创职业学院

数码世界 2020年4期

张庆松重庆科创职业学院

前言

随着科学技术的不断发展，灯光控制系统的应用范围也越来越广泛。但在灯光控制系统实际应用过程中，由于当今主流的灯光控制系统都是有线式的，并且该些系统虽然结构较为简单，但由于布线较多，接线安装复杂，所以通常都有着工期长、移动困难，修改难度大的特点。为此，本文将设计出一种基于无线WIFI 技术的职能灯光控制系统，以期能够解决有线式灯光控制系统的诸多问题。

1 智能灯光控制系统总体设计

本文所设计的基于WIFI 的智能灯光控制系统主要由一个单片机核心电路、两个白色高亮度LED 灯电路、无线WiFi 模块电路、手机APP控制模块以及电源电路所共同组成。其中电源电路会为智能灯光控制系统提高5V 的电压，单片机则会通过无线WiFi 模块电路，实时接收手机APP 控制模块所发出的控制指令，并对控制指令进行解析转化成为定时器PWM 信号，并以此来对高亮度LED 灯进行启、停控制以及亮度控制。

2 智能灯光控制系统硬件电路设计

2.1 单片机核心电路设计

本文所设计的智能灯光控制系统，其单片机核心电路采用的是STM32 单片机系列中的STM32F103C8T6 单片机。该单片机有着32 位ARM7 微控制器，可以实现实时跟踪和仿真处理。虽然相比较一些单片机来说，本文所采用的STM32F103C8T6 单片机在节能效果上略有不足，但该单片机不仅控制效果比较高，而且还有着较强的可拓展性，可以极大的降低其他电路的接入难度。在实际设计中，单片机PA6 引脚将会连接到1 号的LED 灯上，而PA5 引脚则会连接在3 号LED 灯上，PA9、PA10 两个引脚会分别与无线WiFi 控制模块中的Rx 管脚和Tx 管脚相互连接。具体连接电路图如图1 所示。

图1 单片机核心电路连接电路图

2.2 超高亮度LED 灯光电路设计

超高亮度LED 灯是近些年才出现的一种新型LED 灯具，相比较传统的LED 灯具来说，其有着寿命长、可靠性高、耐用性前、维护成本低、可连续使用时长长、发光效率高、节能型更强、点亮速度快等优点。基于此，本文在进行超高亮度LED 灯选择的时候，最终考虑到常用的LED 灯多为白色，所以本文在选择的是，最终也选择了白色LED 灯。

2.3 无线WiFi 控制模块电路设计

为能够有效解决传统有线式智能灯光控制系统的诸多问题，本文最采用了无线WiFi控制模块来实现无线数据传输与控制效果。在本设计中，无线WiFi控制模块可以实时接收平板电脑、手机等智能终端的控制命令。为能够强化无线WiFi 控制模块的命令接收及处理效果，无线WiFi 控制模块还集成了ESP8266 系列的芯片。在实际使用过程中ESP8266 芯片将可以支持softAP 模式、station 模式以及softAP+station 模式三种命令模式。在设计中，本文最终采用了三种控制模式中的softAP 模式，即基于同一个路由器下的智能终端控制，从而有效确保控制的精确性和稳定性。

3 智能灯光控制系统软件设计

3.1 软件设计总体思路

本文所设计的智能灯光控制系统软件设计思路如图2 所示。

图2 智能灯光控制系统软件设计思路图

3.2 LED 亮度控制程序

3.2.1 PWM 调节LED 亮度原理

LED 灯作为一种发光二极管，其启停速度是其他灯具所无法比拟的。在实际设计过程中，应LED 灯的该种优点进行充分利用，为此，本文将会通过改变脉冲宽度的方式来控制LED 灯的亮度，该种控制方法也被称为PWM 调光法。

在实际设计中，想要实现PWM 调光法，还需要对脉冲频率和定时器比较值两个重要参数进行合理设置。其中脉冲频率作为PWM 调光法中对LED 灯启停的控制方式，其实际设置效果将会直接影响到LED 的启停效果。在实际控制过程中，LED 灯将会处于一个快速启停的状态，若是设置的脉冲频率比较低，那么LED 灯的启停便会在人眼留下残留，在考虑到人眼的接收频率以后，最终设计中的脉冲频率应超过100Hz，但人类的听力范围在20Hz-20kHz 之间，若是低于20kHz，那么在对LED 灯控制过程中，变可能会产生一些人耳能够接收到的噪音。但若是脉冲频率超过20kHz，那么便可能会导致脉冲波形失真，最终在多次调整和试验后，本文最终选择了人耳并不是很敏感的10kHz 作为脉冲频率。

通过PWM 调光法对LED 灯进行控制，LED 灯的亮度调节并不是依靠功率来进行调节，而是依靠LED 灯的启停交替过程。在LED 灯的启停速度够快的时候，那么人眼便会认为LED 的一直来工作，在频繁启停在是，若是LED 灯亮的时间长，那么人眼接受的亮度就越高，反之亮度则越低。

3.2.2 软件设计实现

在智能终端与无线WiFi 控制模块处于同一个路由器下后，ESP8266 芯片便可以对智能终端所发出的控制命令进行实时接收、处理，并传递给单片机，通过脉冲频率对LED 灯进行控制。在本文中，LED 灯的控制分为整体控制和分组控制两部分，其中整体控制部分就是对所有LED 灯进行全部启停控制；分组控制则是将两个高亮度LED 灯进行分别控制。另外，考虑到家庭中对于LED 灯的亮度需求情况，本文将会设计出三个亮度档位，并且三个档位会进行循环启动，系统开启时LED 灯将会默认为最高亮度，使用者可以通过智能终端设备在三个亮度档位中进行随意调节。