基于WiFi和單片機的教學樓智能照明系統的設計

劉瑞妮

（西安翻譯學院工程技術學院，陜西西安710105）

目前我國高校照明系統主要采用傳統的人工管理方式，采用的是手動開關，使用不方便，而且長明燈現象非常普遍，極大地浪費了資源，不符合當前的節能要求。鑒于以上傳統照明的諸多缺點，智能照明控制成為當前的熱點問題[1-7]。

當前關于智能照明控制主要集中在Zigbee技術[1-2]和單片機技術[4-7]兩種。Zigbee技術具有功耗低、組網能力強等優點[8]，但產品開發難度大，開發周期長，產品成本高等缺點限制了它的廣泛應用；而基于單片機的智能照明系統結構簡單，方便擴充其他功能，但是一般只能實現單機控制，不能實現遠程控制。隨著無線網絡的迅速發展，WiFi技術也得到了前所未有的發展，已應用于環境監測[9]、污染物監測[10]、智能溫室溫度控制[11]、智能圖書管理[12]等方面。

文中介紹一種教學樓智能照明控制系統設計方案，以Arduino單片機作為核心控制器，通過無線WiFi方式傳輸信息，在Android手機客戶端，遠程操作教學樓內的照明器件。

1 系統架構

基于WiFi和Arduino單片機的智能照明系統主要實現以下功能：一是可對教學樓內光照強度和人數進行檢測及顯示；二是可在手機客戶端對教室內的照明器件進行操作；三是可對多個燈節點統一操作，或單獨控制一個照明器件。系統架構圖如圖1所示。

通過圖1可以看出，智能照明系統主體框架由手機客戶端、AP協調器、系統終端3個部分組成，各部分具體功能分析如下：

圖1 系統架構圖

1）手機客戶端：系統客戶端部分是基于Android操作系統來實現的，通過搭建Eclipse軟件開發環境來實現用戶對系統的界面功能。

2）AP協調器：AP協調器是整個系統通信網絡的核心，實現WiFi和智能手機終端的連接，對接收到的信息進行分析處理。

3）系統終端：該部分主要由 WiFi Station、單片機和照明燈組成。WiFi Station作為終端的無線通信設備，主要用來實現同手機客戶端之間的數據有效傳輸功能。單片機作為系統終端的控制設備，主要實現串口數據交換以及系統終端有用數據的存儲以及分析處理等功能。

2 硬件設計

無線智能照明系統的硬件部分主要包括：無線WiFi模塊、單片機模塊和傳感器模塊3部分，系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構框圖

2.1 WiFi模塊

無線WiFi模塊用來實現系統終端和手機客戶端之間的通信。WiFi模塊與單片機之間通過異步串口通信實現數據接收或發送，該過程是通過WiFi模塊和單片機自身帶有的串口來實現的。當手機客戶端發起命令請求信號時，該信號將首先通過WiFi無線網絡到達WiFi Station端，然后再通過其串口將具體的信號命令消息發送給單片機設備，最終將由單片機解析具體的命令消息并執行命令指定的功能。

本智能照明系統的WiFi模塊選用ESP8266芯片，ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為slave搭載于其他Host運行，支持3種組網模式：softAP模式，station模式，softAP+station模式[13]，用戶可根據具體需求靈活選擇。

2.2 單片機模塊

單片機作為無線照明控制系統的核心，主要具有以下功能：

1）接收手機客戶端通過WiFi模塊發送的信息，判斷這個信息的作用，對接收到的信息進行處理；

2）接收傳感器模塊檢測到的室內光強和人數并進行處理；

3）根據手機客戶端發送的信息和傳感器模塊檢測的數據控制照明燈的狀態。

本設計中使用Arduino UNO R3單片機作為核心控制單元，采用Atmel Atmega 328微處理控制器，具有14路數字量輸入/輸出端口，其中6路可作為PWM輸出，6路模擬量輸入，一個16 MHz晶振，支持ISP下載功能，與其他同類型單片機相比，Arduino單片機有豐富的系統資源，編程簡單，模塊擴展功能強大，因此具有廣闊的應用前景[14-16]。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括光照傳感器和紅外檢測模塊兩部分，主要功能是對教學樓內光照強度和人數進行實時檢測，并將數據傳送至控制單片機，以便單片機做出控制。

光照強度檢測模塊主要功能是對教學樓內光照強度進行實時準確的監測，該部分由光敏電阻和LM393芯片組成，光敏電阻檢測到不同光強就會得到不同的阻值，從而有不同的電壓值，將電壓信號送給電壓比較器LM393來檢測教學樓內實時光照強度。因為Arduino UNO R3單片機有6路模擬量輸入通道，因此光照檢測電路可直接與單片機連接，不必再另外使用A/D轉換芯片，簡化了系統結構。

紅外檢測模塊可以對教室內人員流動情況進行實時檢測，由紅外發射管和紅外接收管組成（圖3）。當紅外對管檢測到有人靠近時，就會發出一個信號給放大電路，該信號經過放大后，傳送給電壓比較器，與其上基準電壓進行比較，從而產生一個高/低電平，并以此電平作為單片機的外部計數信號，啟動單片機進行計數，該數值就是教室內當前人數，最終將人數顯示在顯示器上。

圖3 紅外檢測模塊框圖

3 軟件設計

系統配置初始化成功后等待WiFi模塊啟動，WiFi模塊啟動后燈節點開始正式工作；傳感器模塊將檢測到的教學樓內人數和光照情況傳輸給單片機，單片機將其處理后通過無線網絡傳輸到手機客戶端，等待客戶端發送指令：若接收到信息，則按照對應指令設置照明燈的狀態，并返回等待下一次命令，若沒有則繼續等待，軟件流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

手機客戶端應用軟件的設計使用的是Eclipse，它是一個源代碼開放、基于Java的可擴展開發平臺。使用Eclipse進行應用開發需先安裝ADT插件，這樣才可以在Eclipse中啟動Android模擬器進行程序調試等[17]。根據系統功能要求，開發的應用軟件界面如圖5所示。在客戶端可以顯示各個照明燈的狀態，燈亮起時，左邊小燈圖標高亮，熄滅時圖標為灰色。通過右邊的開關可以調節每盞燈的開關狀態。

圖5 手機客戶端程序界面

系統工作時，要先將手機客戶端接入附近的WiFi網絡。本設計中ESP8266選用softAP+station組網模式，該模式下Andronid手機可以作為station連入ESP8266的softAP接口，同時可以控制ESP8266的station接口通過路由器連入internet。以下命令是將名稱為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi接入手機客戶端的具體方法。

AT+RST 模塊重啟；

AT+CWMODE=3設置為AP+STA模式；

AT+RST 重啟模塊；

AT+CWLAP 查詢附近可加入的WiFi

AT+CWJAP="FAST_94BE04"，"q5754831"

加入用戶名為FAST_94BE04，密碼q5754831的WiFi；

AT+CIFSR 將模塊設置為客戶端；

AT+CIPMUX=1 查看模塊的ID；

AT+CIPSERVER=1，8080開啟SERVER模式，端口號為8080；

至此就可以用手機接入用戶名為FAST_94BE04，密碼是q5754831的WiFi模塊。設置手機APP的TCP服務IP，與用Eclipse軟件查詢到ESP8266模塊的ID一致，連接后就可用手機終端發送命令給ESP8266模塊。

4 系統測試與效果分析

為了分析基于WiFi的室內照明系統的性能，在西安翻譯學院工程技術學院教學樓內應用該系統并進行功能測試，系統功能測試結果（表1）表明系統的各個功能運行效果良好，使用手機客戶端連接WiFi模塊后，就可以對照明燈的狀態進行控制了，可以控制單個燈泡，也可以對多個燈泡進行控制，系統能實現教學樓照明燈的遠程無線控制。

表1 系統功能測試結果

5 結束語

文中提出了一種基于WiFi的教學樓照明系統設計，該設計的主要特點為：采用高性能的Arduino UNO R3單片機作為控制核心，提高系統控制功能；在教學樓網絡的構建中引入WiFi無線通信技術，以增大無線通信距離并簡化組網方法；設計了WiFi智能照明控制系統，該系統具備人數采集、光照度采集和WiFi通信功能；設計了手機客戶端程序，該程序實現了用戶登陸和教室照明燈狀態實時顯示、遠程控制等功能。

對于大型辦公樓等場所，可以使用WiFi模塊的無線分布式系統功能，將多個AP互相連接，組成一個覆蓋范圍更廣的網絡。

參考文獻：

[1]金基宇，王虹元，金桂月，等.基于ZigBee的LED智能照明系統[J].國外電子測量技術，2016（10）：76-82.

[2]王強，范延濱.基于ZigBee技術的智能家庭照明系統[J].電腦知識與技術，2016（10）：12-13，16.

[3]段小匯，馮俊青.基于直接數字控制器的教室智能照明控制系統設計[J].電子世界，2012（12）：106-107.

[4]程春.大學教室智能照明控制器及其系統的研究與開發[D].北京：北京化工大學，2010.

[5]張云莉，周曉平，朱雙霞，等.基于單片機的教室節能控制系統設計研究[J].制造業自動化，2012，34（2）：103-105.

[6]伍世云，羅江，王益艷，等.基于單片機的高校教室照明節能智能控制系統的設計[J].電子設計工程，2016（23）：180-182.

[7]劉瑞妮，梁瑞.基于單片機的教學樓智能照明節能系統的設計[J].電腦知識與技術，2016（20）：224-225.

[8]吳濤，楊著，張麗霞.基于ZigBee和Android手機的無線監控系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（3）：809-811.

[9]馮勇，王繼紅，蔣銘凱，等.一種無線室內空氣污染物監測裝置的研制[J].河南科學，2016，34（5）：712-715.

[10]劉紅義，趙方，李朝暉，等.一種基于WiFi傳感器網絡的室內外環境遠程監測系統設計與實現[J].計算機研究與發展，2010（2）：361-365.

[11]賈薇，徐曉輝，宋濤，等.基于WIFI的智能溫室移動控制終端系統設計[J].中國農機化學報，2015，5（36）：87-89，107.

[12]戴振祥.基于Wifi的智能圖書管理系統設計[J].寧波教育學院學報，2016（3）：61-64.

[13]范興隆.ESP8266在智能家居監控系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2016（9）：52-56.

[14]卞云松.基于Arduino單片機的避障小車機器人[J].自動化技術與應用，2014（1）：16-19.

[15]楊振乾，張旭東，王子城，等.基于Arduino單片機的邁克爾遜干涉儀測量改進[J].實驗室研究與探索，2016（1）：50-53.

[16]張可兒，魏盼.基于Arduino單片機的遙控救援小車[J].自動化與儀器儀表，2016（11）：58-60.

[17]江燕良.基于Android智能終端的遠程控制系統[J].電子技術應用，2012，38（8）：129-132.