具備電容觸控界面的智能照明控制器設計

翟迪國 陳志斌 易子川 李笑然 周國富 周瑩

摘 要： 針對現有智能照明系統人機界面可操作性差的問題，提出一種具備觸控人機界面的智能照明控制器設計方案。智能照明控制器通過WiFi模塊連接物聯網云平臺，可以實現手機端APP遠程控制，調光調色，開關定時；同時，控制器上設計了獨立的電容觸控調光調色電路，可以脫離手機，現場手動觸控調光調色，場景切換。文中以燈帶作為照明光源，詳細說明了遠程控制與觸控操作的驅動邏輯，實現遠程智能管理和實時現場觸控的有機結合。結果表明，智能照明控制器人機界面友好，顯著改善了智能照明產品的實際體驗。

關鍵詞： 智能照明控制器； 人機界面； 電容觸控； WiFi模塊； 物聯網云平臺； 遠程管理

中圖分類號： TN712+.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0092?06

Abstract： As the human?machine interface of the current intelligent lighting system has the problem of poor operability， a design scheme of the intelligent lighting controller with a touch?control human?machine interface is proposed. The intelligent lighting controller is connected to the cloud platform of Internet of Things （IoT） by means of the WiFi module， so as to realize remote control of the APP on the mobile phone terminal， brightness and color adjustment， and timing of switches. In the controller， an independent capacitive touch?control interface for brightness and color adjustment is designed to realize on?site finger touch control for brightness and color adjustment and scene switching without using a mobile phone. With the light strip taken as the illuminating light source， the drive logics of remote control and touch?control operation are described in detail， so as to realize organic combination of intelligent remote management and real?time on?site touch control. The results show that the intelligent lighting controller has a friendly human?machine interface， and can significantly improve the actual experience of the intelligent lighting product.

Keywords： intelligent lighting controller； human?machine interface； capacitive touch control； WiFi module； IoT cloud platform； remote management

0 引 言

作為智能家居的一個子系統，智能照明技術將是未來強化家居中節能與健康管理等綠色功能的重要技術手段[1]。而LED固態照明非常方便實現智能控制[2]，也是目前照明技術的主流。傳統的基于DMX[3]總線及DALI[4]總線等有線控制技術，基于WiFi[5]、ZigBee[6]、藍牙[7]，RF?433MHz[8]等無線控制技術，以及基于有線總線協議的無線控制系統[9]，在智能照明系統都有不同程度的應用研究。近幾年快速發展的物聯網技術，與智能照明應用結合迅速[10?11]，并進一步融合語音控制技術[12]，開始在云端應用人工智能識別語音[13]，實現燈光情景控制。

現有的很多無線智能照明控制器設計功能單一，APP操作繁瑣，協議兼容性差，在用戶的實際生活中沒有讓用戶體驗到真正的方便快捷。李巖等實現了基于WiFi的智能照明系統[14]，但沒有考慮遠程控制問題。王永慧和胡艷蕊設計了Android端的APP，都是局域網的無線控制功能，沒有接入物聯網[15?16]；APP界面也太過復雜，不方便用戶操作。王敏提出一個基于物聯網的智能照明系統架構，但體系復雜，實用性不強[17]；曹陽提出了觸控實現調光的照明設計方案，但沒有考慮聯網控制[18]。本文提出一個智能照明控制器的設計，該系統的特點是，結合有線的電容觸控和無線WiFi連接，實現有線和無線結合的智能照明控制，增加了控制器應用的靈活性，改善了用戶的實際操作體驗。在無線通信過程中，本系統通過WiFi模塊結合LED照明、無線WiFi網絡、物聯網云平臺，實現LED照明的遠程智能化控制。同時，LED照明設備在Android手機客戶端的控制下，實現了調光調色、定時、場景切換等功能。與此同時，在有線連接過程中，本系統通過電容觸控面板，提供了調光調色的現場手動控制操作，達到了操作快捷方便、實時控制的效果。

1 系統設計原理

本文所設計的智能照明控制器是由電源模塊、WiFi模塊、MCU模塊、電容觸控輸入模塊和手機APP組成，可外接直流12 V驅動的RGB彩光燈帶，實現智能燈光控制。電源采用SY8292電源IC實現了DC?DC電壓轉換，為MCU模塊、WiFi模塊以及電容觸控芯片WTC401供電。在無線連接設計上，WiFi模塊采用ESP8266單芯片系統。根據WiFi局域網控制的研究現狀及相關的應用情況和WiFi無線局域網的組網運作方式，建立基于Java語言控制的基礎WiFi模式局域網環境。運用Java語言進行程序編寫，開發了一款操作簡單、功能齊全、界面友好的智能手機客戶端應用軟件，使之能準確、及時地向目標硬件系統發出指令信號，與智能照明控制器進行通信，實現對RGB全彩LED燈帶的亮度和色彩的實時控制。在有線連接設計上，設置了獨立的電容觸控調光調色電路，利用電容觸控開關使用方便、壽命長久、成本低廉等特點，在燈光手動控制上達到快速響應的效果，以及在操作流程上更加簡易。

控制器的總體構架圖如圖1所示。

系統采用12 V電源適配器供電，經SY8292電源電路降壓后，輸出3.3 V穩定直流電壓。輸出的3.3 V直流電壓不會隨電網電壓發生明顯波動，為ESP8266模塊和控制器主要邏輯電路的供電提供了良好的保障。系統中的ESP8266無線WiFi模塊是整個控制系統的通信橋梁，其作用包括：與智能手機終端進行通信，接收控制信號并返回相關狀態信息；根據接收的控制指令，與STM8控制器進行串口通信，再由STM8控制器輸出不同的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）信號驅動LED燈帶，以實現對LED燈帶的色溫、亮度和顏色的控制。系統選用RGB三基色LED作為照明的主要器件，可實現不同顏色的任意組合，從而根據用戶需要改變亮度和顏色。系統的智能手機終端相當于遠程遙控設備，應用軟件基于Andriod操作系統開發，用 Eclipse軟件進行程序編寫，編譯完成后生成.apk文件，下載至智能手機終端，安裝好后即為控制APP軟件。手機上的APP通過無線網絡將控制數據下發給WiFi模塊，WiFi模塊通過無線網絡上報狀態數據給手機，APP顯示到手機屏幕。STM8控制器把從ESP8266接收的數據進行處理，可將接收的控制信號進行及時的翻譯和響應，向三個輸出端口輸出相應的PWM調制信號[19]，以實現對三基色LED燈的控制。另外，控制器還具備有線輸入方式，設置了電容觸控面板，上面有8路觸摸開關輸入。當人體手指接觸觸摸面板表面時，將根據8路觸摸開關檢測信息做編碼，實現位置偵測，把相關信息送給STM8單片機作判斷，進而控制RGB燈帶。

最后，WiFi模塊和手機端APP都可以接入物聯網云平臺，實現遠程無線連接，遠程控制。

2 系統的硬件電路設計

智能燈帶控制器硬件設計中包括電源模塊、MCU模塊、LED驅動模塊、WiFi模塊、電容觸控模塊。其中，電源模塊負責整個控制器的電壓分配，MCU模塊負責信息處理及輸出控制，LED驅動模塊保證了LED燈的亮度和顏色控制，WiFi模塊負責系統與手機的信息交換，電容觸摸模塊實現手指觸摸感應。

2.1 電源電路

在硬件系統所包含的電路和設備中，ESP8266模塊、MCU模塊和觸摸模塊都需要穩定的3.3 V直流電源供電。在電源模塊設計中，采用SY8292電源IC，實現DC?DC降壓轉換，能量轉換率可高達97%。本系統由電源適配器提供12 V電壓輸入，12 V電壓通過SY8292電源IC轉為3.3 V直流電壓，直接給ESP8266模塊和STM8單片機等電路提供穩定的直流電壓。如圖2所示，通過調節電阻R20和R12的值，根據計算公式即可得出輸出電壓的值。SY8292電源電路調整輸出電壓的計算公式如下：

2.2 MCU和LED驅動電路

本系統是以STM8S103F3P6單片機為主要控制芯片，如圖3所示，工作電壓為2.95～5.5 V。該芯片其內部資源豐富，功能強大且功耗低，價格低廉，還具有良好的穩定性，對控制信號的傳輸和處理都具有良好的時效性和準確性。

在本設計中通過STM8單片機輸出三路PWM信號，PWM_R/PWM_G/PWM_B對應RGB三色LED燈光。圖4以一路PWM_B為例，PNP小信號三極管S8050實現了單片機3.3 V開關電平轉換為12 V電平驅動NMOS功率三極管AP60T03，實現對RGB三路LED燈的電流通斷控制。在LED燈帶調光過程中，PWM是通過改變LED的通斷時間比例實現亮度控制。STM8單片機中有專用的硬件PWM信號生成器，通過高分辨率計數器，實現對輸出PWM方波頻率和占空比的調制，通過高速開關，使LED燈在不斷交替的導通和截止狀態切換，實現對LED燈亮度的調節。由于PWM調光負載電流只有滿載、空載兩種工作狀態，所以不會對LED 的色溫、色偏等性能造成干擾。因此，PWM 調光為本設計系統的主要調光方式。本設計實例中，PWM工作頻率為1 kHz，實現占空比256級，RGB合成顏色數量為：256×256×256=1 600萬色。

為了滿足用戶對照明顏色、亮度和色溫自主調節的要求，系統的照明光源采用封裝全彩紅、綠、藍三基色LED的集合燈芯，3顆LED芯片集成在一個的5 mm×5 mm尺寸陶瓷基座上，混色效果好。LED芯片的控制參考電壓分別為：R（紅），1.8～2.0 V；G（綠），3.2～3.4 V；B（藍），3.2～3.4 V。對于 LED 紅、綠、藍三種小燈珠的發光強度的比例，一般選擇為： 3（紅）∶6（綠）∶1（藍），可以組合得到白色。因此用戶可以根據自己需要調節顏色和亮度，即通過改變封裝好的三基色LED中的各種顏色小燈珠的驅動電流比例，從而實現對LED光源的亮度和色溫的調節。因系統運用的LED燈光譜十分靈活，其顯色性和輻射光受三顆單色的小燈珠共同影響，所以封裝好的三基色LED燈，具有良好的穩定性，其發光的亮度和顏色的調節也十分方便。

2.3 WiFi模塊電路

本系統直接采用WiFi模塊，電路設計如圖5所示。WiFi模塊可以加入WiFi無線通信網絡，實現控制器接入網絡。智能手機客戶端APP和ESP8266無線控制模塊都分別加入預設WiFi網絡，APP的相關控制信號經由WiFi網絡傳送給智能照明控制器。當ESP8266無線控制模塊接收到相應的控制信號時，通過UART串口傳送給STM8單片機處理，不同的控制指令使單片機的三個PWM輸出端口輸出占空比互不相同的PWM控制信號，以對三基色LED燈帶的三種不同顏色的小燈珠進行亮度調節，從而組合成用戶要求的顏色和亮度。ESP8266模塊與單片機連接，在實時傳送用戶控制信號到單片機的同時，單片機報告智能照明控制器的狀態到用戶手機，使數據穩定傳輸和進行實時監測。

2.4 電容觸控輸入電路

利用人體的電容效應，可以實現手指觸摸偵測[20]。如圖6所示，本系統電容觸控電路采用WTC401專用觸控芯片，設置了8路觸摸開關輸入。當人體接觸到電路板的覆銅觸摸片上，根據平行介質電容公式得：

式中：ε為介電常數；k為靜電常量；S為電容極板的正對面積；d為兩極板間距離。當S和d發生變化時，感應電極與電路地之間的電容值發生改變，WTC401捕抓到此變化后進行信號處理，生成觸摸輸入位置信息，隨后把數據傳送到單片機，最后由單片機根據觸摸開關的按下情況控制三路PWM的輸出占空比，進而控制LED燈帶照明。

在實際使用中，在圓形觸控面板上設計8個觸控按鍵版圖，采用尖劈方式彼此交叉，首尾相連，構成一個觸控環。觸控區域可量化為64個物理觸摸位置信息，單片機通過SPI接口不停地查詢WTC401，實時獲取手指觸摸位置信息，轉為64種顏色編碼，控制PWM調光調色。

3 系統軟件設計

本系統基于嵌入式開發平臺，對STM8單片機進行C語言程序編譯。在軟件編寫中可分為以下幾個部分：系統初始化、觸摸按鍵識別、邏輯判斷、PWM輸出、看門狗復位、WiFi模塊驅動及傳輸協議解析。主程序流程圖如圖7所示。

本設計在手機客戶端上基于Android軟件開發平臺，編寫了一款手機軟件，此軟件主要配合硬件系統進行無線控制及實時狀態監測。Eclipse 擁有免費、源代碼開放、無限的可擴展性等特點，為本系統的軟件編寫提供了便利的條件。本系統借助 Eclipse軟件，運用Java語言進行控制程序編寫，編譯完成后可生成一個.apk文件，將其下載至手機，可得到一個手機APP軟件，借助這個軟件便能在WiFi網絡下與ESP8266模塊進行通信，進而與單片機系統進行數據交接，手機APP軟件編譯后的手機APP燈光控制主界面如圖8所示。

4 物聯網云平臺的接入

智能照明的云平臺工作流程如圖9所示。廣州機智云物聯網科技有限公司提供智能硬件自助開發的云服務平臺，本系統選擇其提供服務的機智云作為物聯網云接入平臺。在WiFi模塊中，已內置了機智云系統云端編譯好的固件。硬件部分通過WiFi模塊與機智云通信，上傳設備狀態數據。機智云與WiFi模塊通信將手機APP控制命令下發給控制器執行。若控制器與手機接入同一局域網，則手機APP可直接與系統硬件交互，無需通過機智云。機智云支持設備以HTTPS，MQTT方式接入。HTTPS接入的場景主要有：獲取設備配置信息、獲取設備升級信息等。MQTT接入場景有：訂閱設備控制指令、發布設備狀態等。

5 系統調試與結果分析

軟件調試好后，將智能照明控制器接入預定WiFi網絡，智能手機接入同一個WiFi網絡。APP軟件添加設備后，可實現對燈帶的實時控制。智能照明控制器電路板實物如圖10～圖12。彩光燈帶在APP界面和觸控面板輸入控制下的顯示效果如圖13所示。

智能燈光控制器與彩光燈帶參數為：控制器供電，DC 12 V/1 A；燈帶功率，6 W（30×0.2W/LED）；PWM輸出，1 kHz，256級占空比；調色能力，1 600萬色；觸控分辨率，64點@8按鍵環路；WiFi標準，2.4 GHz IEEE 802/11 b/g/n。

6 結 語

本文提供了一種具備觸控功能的智能照明控制器設計方案，并對此方案進行了詳盡的描述，通過無線WiFi網絡環境下對照明系統進行遠程無線控制，在一定程度上方便用戶在遠距離控制照明系統。為了進一步提高用戶體驗，系統通過有線電容觸控方式增強了控制器的靈活性和實用性，在功能上實現了LED燈帶的亮度調節和色彩調節，最終帶給用戶全新體驗，促進智能照明系統技術的應用普及。

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