基于物联网技术的智能LED 嵌入式系统设计

2021-11-24

商品与质量 2021年6期

大连云动力科技有限公司辽宁大连 116023

1 系统整体设计

ESP32 是一款性能稳定的物联网芯片，只需要极少的外围器件，就可以实现强大的处理性能、WI-FI 和蓝牙功能，满足本设计电路控制需求和WI-FI 无线收发需求。NCL30161DC-DC LED 驱动芯片是一款平均电流滞环控制模式高亮度LED 降压控制器，支持脉宽调制或者模拟调光，可以满足本设计中恒流驱动20V28W 黄白共阳极LED 灯，并实现亮度控制的需求。使用EEPROM AT24C08 存储芯片存储设备序列号和其他配置信息。使用CH340C 实现USB 转串口或者USB 转串口打印。此外电源采用220V 转24V50W 的电源模块，24V 作为NCL30161 输入电压，同时对24V 进行24V 转3.3V 的降压，满足主控芯片、串口芯片、EEPROM 芯片的供电需求[1-2]。

以ESP32 为主芯片的设备烧录序列号的同时，平台添加此序列号，通过蓝牙配网使设备连接WI-FI，激活此设备。平台发送控制指令给设备，设备完成指令后将结果反馈到平台，平台收到反馈后更新LED 状态，完成远程控制LED 灯。

2 系统硬件设计

首先是电源设计，24V 作为输入电压，通过两个NCL30161进行降压后，分别给黄灯和白灯供电。使用AOZ1284 这款DCDC芯片进行24V 转3.3V，为主控芯片ESP32、存储芯片EEPROM和串口芯片CH340C 供电。然后是控制电路设计，根据ESP32 规格书，IO16、IO17、IO18、IO19 等均为PWM 引脚，本设计使用IO16 和IO17 分别连接到两个NCL30161 芯片的DIM/EN 引脚，实现通过改变占空比对黄灯和白灯进行亮度控制。EEPROM 与主芯片之间是IIC 通讯，使用ESP32 的IO32 和IO33 分别作为SDA和SCL。CH340C 是一款USB 总线的转接芯片，可以实现USB转串口或者USB 转打印口，其TX 和RX 引脚分别接在ESP32 的RXD0 和TXD0 上[3]。

3 系统软件程序设计

WINDOWS 下安装VM 再安装Linux 环境，然后获取ESPIDF，设置工具和环境变量，安装VSCODE 等。环境搭建好之后，连接电路板就可以进行烧录和串口打印。

用户在app 上输入WI-FI 名和密码等配置信息，这些配置信息用JSON 格式通过蓝牙发送给ESP32，ESP32 把app 传来的JSON 消息进行解析并通过EEPROM 存储。设备激活入网后，平台显示激活时间和设备在线情况，用户将想要的灯的亮度百分比输入平台，平台通过mqtt 协议发送包含用户输入的亮度百分比数值的JSON 消息给ESP32，ESP32 接收消息后进行JSON 解析，将亮度百分比赋值给target_duty，进而将灯的亮度更改为用户指定亮度，完成指令后，ESP32 通过HTTP 协议将更改结果反馈给平台，完成远程控制[4]。

4 系统调试结果

PCB 板焊接完成后，分模块进行测试。首先测试供电情况，24V 进线电压测试良好之后，测量3.3V 是否稳定，加入电容去耦使电源纹波稳定在5%以内。电源测试合格后，接入黄灯和白灯，根据ESP32 编程指南中API 参考中的LED Control，本设计首先通过配置定时器指定PWM 信号的频率为3.5KHz，占空比个数为0-8000，然后绑定计时器，配置IO16 和IO17 这两个GPIO 输出PWM 信号，使用ledc_set_fade_time_and_start（ledc_mode_tspeed_mode，ledc_channel_tchannel，uint32_t target_duty，uint32_t max_fade_time_ms，ledc_fade_mode_tfade_mode）函数渐变改变PWM 占空比。烧录PWM 测试程序（占空比在0-100循环），黄灯和白灯亮度可以进行循环，说明PWM 底层程序基本可以。用E2prom_Write 函数随意写入一组字符串并用E2prom_Read 读出并打印出来，说明EEPROM 部分底层程序没有问题。硬件部分测试合格后，调试通信程序。主要是初始化蓝牙、WIFI、HTTP、MQTT，用手机app 进行蓝牙配网，建立基于HTTP协议和MQTT 协议的通信任务，创建JSON 格式的消息和JSON解析等。基本实现远程控制灯的亮度。