基于WiFi的教室智能照明系統設計

曾學仁

【摘 ?要】隨著科學技術的不斷創新優化，傳統的教室照明系統由于智能化不足，擴展性較差，維修成本與能耗較高已經不再適用于現今的各大高校。為了保證教室內部的正常照明，現今的教室智能照明系統設計都是基于WiFi條件下進行的，基于 WiFi的無線照明系統將避免傳統燈光控制系統的功能單一、智能化程度不夠高等缺點的出現，同時其還具有操作簡單、擴展性良好的優點。因而在其的應用設計中多采用STC89C52與HLK-M35 WiFi無線傳輸芯片，將二者相結合，完成終端控制節點設計。Wi-Fi網絡作為照明系統的通信方式，其可以將終端控制節點與網關節點進行連接，進而形成星型網絡，在實際的應用時只要通過手機系統軟件 app的操控，就能實現智能終端設計以及無線燈光控制，最終將控制功能和情景調節進行良好的完成。

【關鍵詞】WiFi教室;智能照明系統;設計

進入21世紀以來，各大學校對于其內部的基礎設施都較為關注。現今的很多學校內的教室照明系統還在應用傳統的模式，其主電源經過配電箱可以分出很多個支路，這些支路可以而分別向燈具供電;而想要使供電斷開就必須將這些支路串聯在照明中的單雙極開關上，所以，傳統的照明控制系統只能通過開關來控制燈具，這樣無法實現人性化、多功能化的系統管理。由于現今的大學校園規模正在不斷的擴大，其教室的數量也在大幅度的增加，大學的教學又是一個開放型的教學管理模式，其內部的人員流量較大，節能意識較為淡薄，因而就造成了高校的教室在白天室內光照強度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業;

1、系統總體框架設計

文中設計的智能照明控制系統由終端控制節點、智能網關節點、手機智能終端等組成。終端控制節點作為受控設備，主要負責接受來自 WiFi接入點轉發的控制信息，實現對LED燈的控制。智能網關節點作為 WiFi無線智能照明系統通訊的核心樞紐，主要為了實現協議的轉換和 AT 指令的存儲和轉發。安卓手機智能終端則通過用戶界面把行動指令和套接字送到WiFi節點，實現LED燈的控制。整個無線網絡采用星型連接。

2、系統硬件設計

教室智能照明系統能對教室內所有燈光進行監控和管理，終端控制節點替代傳統的機械開關，利用單片機 STC89C52 產生一個 PWM 波實現對亮度控制。PWM 調光（Pulse Width Modulation Dimming）實現脈寬制調光，通過利用頻率超過100 Hz的亮度閃爍而肉眼難以發現的閃爍頻率這一特性，只要通過控制 LED燈開通和斷開時間的占空比，來實現改變 LED流過的平均電流，最終實現亮度的控制。采用 WIFI通信模塊來確保控制指令的可靠傳輸，提高數據傳輸可靠性。微控制器是采用了 MCS-51 內核的 STC89C51系列 52單片機，MCS-51是8位CPU，具有性能高、成本低、功耗小的特點。STC89C52處理性能強大，低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器;不僅滿足了上述對MCU的所有需求，并且目前已經得到了非常廣泛的應用，擁有較成熟的開發經驗和技術的借鑒;其次存儲足夠大，給 WiFi智能網卡驅動移植和 TCP/IP協議移植提供支持。目前STC89C51系列開發最廣泛和常用的開發環境是 keil，使用熟練簡單，開發工具和仿真工具采用 SEGGER 公司為支持仿真 ARM 內核芯片推出的 JTAG仿真器，價格較低，降低了開發成本。其中，STC89C52采用 5 V 的供電電壓。

3、系統軟件設計

3.1 WiFi模塊程序設計

HLK-M35模塊是使用 AT+指令集方式配置。而AT+指令集方式是用戶人工通過串口輸入命令來配置參數的。HLK-M35模塊向使用用戶提供了 3個GPIO引腳，這 3個 GPIO功能引腳不僅可以通過 udp控制還可以使用AT指令讀寫控制。GPI000 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;GPI001 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;GPI002 功能：輸出高低電平，輸入高低電平;特點：通過AT命令控制讀寫;類型：I/O;AT指令控制示例：AT+GW=0，1 -- GPI000輸出高電平AT+GR=2，GPI02輸入電平HLK-M45 上電后，進入透傳模式，用戶通過串口命令把透傳模式切換到 AT 命令模式進行配置。當正常上電后，HLK-M35模塊會先檢查當前的網絡串口配置正常與否，是的話，則模塊自動進入透傳模塊;否的話，則模塊進入 AT指令模式。透傳模式進入 AT指令模式：在任何狀態下，拉低模塊第 33腳也就是 ES/RST腳的時間大于 0.5 s并且小于 5 s，HLK-M35 模塊立即進入 AT 指令模式。

3.2 PWM調光

設計中利用STC89C52單片機產生一個PWM波。初始化 P1.0=1，當 T0、T1兩個定時器同時打開，在定時器T1中斷時就將P1.0拉低，在T0中斷時再將P1.0拉 高，同時將這兩個定時初始值初始化，T0為65 536～1 000，T1為65 536～200。設定一個定時，如果設置周期是500 μs，那么，用count控制占空比，如果占空比是實時變化的，那么用一個變量代替count就可。PWM 調光其實就是通過調節可變占空比的方波信號來實現不同的亮燈模式，半夜燈的占空比為100%，1/2的占空比為 50%，1/3的占空比為 33%，1/4的占空比為 25%。當接收到調光命令時，PWM波上升沿中斷，設置定時器的時間等于高電平時間，然后提供PWM信號，可以按照所需調光模式來進行調節PWM 的占空比，當定時器中斷時，該亮燈模式也隨之關閉。

3.3 無線組網

在無線組網設置中，HLK-M35模塊既可以配置成一個無線 STA，還可以配置為 AP。為了實現串口轉 WiFi STA 和串口轉 WiFi AP。AP，即是一個無線網絡的中心節點的無線接入點。其實，通常使用的無線路由器也是一個 AP，而且，其他無線終端也是可以通過 AP相互連接的。STA，是一個無線網絡的終端就是無線站點，不如PDA。HLK-M35模塊工作在STA的模式下。這是一種基本組網方式，由一個AP和多個STA組成。其特點是 AP 作為無線網絡的中心節點，所以 AP 處于中心地位，而通過 AP轉發實現 STA 相互之間的通訊。在 STA 模 式 下，WiFi 模 塊 的 工 作 主 要 在 STA（CLIENT）模式。在適當設置后，COM的數據實現與WiFi的網絡數據的互相轉換。當工作在 AP的模式下，手機、電腦等設備就能夠實現直接連上模塊，可以很方便實現對用戶的受控設備進行監控。

3.4 手機終端程序

APP 主要包含的功能模塊包括：WiFi設備搜索與匹配，燈光的打開和關閉功能，調節燈光的亮度。而在智能手機終端，當打開APP時，手機會自動檢測 WiFi是否已經打開，是的話則會查找設備，否則會退出程序;當查找設備時，沒有找到設備則會繼續查找，直到找到為止，找到設備則會連接匹配;匹配成功則可以選擇功能并控制實現，然后退出程序。在 WiFi配對成功后，用戶進入了 APP的功能界面，可以看到選擇所想要控制的地方，選擇完成后，可以進入所選地方界面的控制界面，在這里，可以選擇燈光的開啟和關閉。這樣就可以完成智能地控制燈光的開啟與關閉。其次，針對選擇控制的燈管，選擇燈光的亮度調節，這樣就可以完成智能地控制燈光的亮度，并調節。

結語

總而言之，隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，各種能源的需求也在不斷的擴大，為此，進行各種項目的能源節約已經是國家社會未來發展的必然趨勢。對于現今的高校教室燈光控制不完善的問題，進行基于 WiFi 的教室照明系統設計，在保證照明質量的前提下，對教室燈光進行自動控制，將很好的實現節能目標，降低學校的經費支出，為教室內人員提供更加靈活便捷，可靠性高，節能與舒適并存的照明系統。

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（作者單位：浙江雙宇電子科技有限公司）