基于WIFI 的智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張慶松 重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，燈光控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。但在燈光控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，由于當(dāng)今主流的燈光控制系統(tǒng)都是有線式的，并且該些系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但由于布線較多，接線安裝復(fù)雜，所以通常都有著工期長、移動(dòng)困難，修改難度大的特點(diǎn)。為此，本文將設(shè)計(jì)出一種基于無線WIFI 技術(shù)的職能燈光控制系統(tǒng)，以期能夠解決有線式燈光控制系統(tǒng)的諸多問題。

1 智能燈光控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的基于WIFI 的智能燈光控制系統(tǒng)主要由一個(gè)單片機(jī)核心電路、兩個(gè)白色高亮度LED 燈電路、無線WiFi 模塊電路、手機(jī)APP控制模塊以及電源電路所共同組成。其中電源電路會(huì)為智能燈光控制系統(tǒng)提高5V 的電壓，單片機(jī)則會(huì)通過無線WiFi 模塊電路，實(shí)時(shí)接收手機(jī)APP 控制模塊所發(fā)出的控制指令，并對控制指令進(jìn)行解析轉(zhuǎn)化成為定時(shí)器PWM 信號，并以此來對高亮度LED 燈進(jìn)行啟、停控制以及亮度控制。

2 智能燈光控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能燈光控制系統(tǒng)，其單片機(jī)核心電路采用的是STM32 單片機(jī)系列中的STM32F103C8T6 單片機(jī)。該單片機(jī)有著32 位ARM7 微控制器，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和仿真處理。雖然相比較一些單片機(jī)來說，本文所采用的STM32F103C8T6 單片機(jī)在節(jié)能效果上略有不足，但該單片機(jī)不僅控制效果比較高，而且還有著較強(qiáng)的可拓展性，可以極大的降低其他電路的接入難度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，單片機(jī)PA6 引腳將會(huì)連接到1 號的LED 燈上，而PA5 引腳則會(huì)連接在3 號LED 燈上，PA9、PA10 兩個(gè)引腳會(huì)分別與無線WiFi 控制模塊中的Rx 管腳和Tx 管腳相互連接。具體連接電路圖如圖1 所示。

圖1 單片機(jī)核心電路連接電路圖

2.2 超高亮度LED 燈光電路設(shè)計(jì)

超高亮度LED 燈是近些年才出現(xiàn)的一種新型LED 燈具，相比較傳統(tǒng)的LED 燈具來說，其有著壽命長、可靠性高、耐用性前、維護(hù)成本低、可連續(xù)使用時(shí)長長、發(fā)光效率高、節(jié)能型更強(qiáng)、點(diǎn)亮速度快等優(yōu)點(diǎn)。基于此，本文在進(jìn)行超高亮度LED 燈選擇的時(shí)候，最終考慮到常用的LED 燈多為白色，所以本文在選擇的是，最終也選擇了白色LED 燈。

2.3 無線WiFi 控制模塊電路設(shè)計(jì)

為能夠有效解決傳統(tǒng)有線式智能燈光控制系統(tǒng)的諸多問題，本文最采用了無線WiFi控制模塊來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸與控制效果。在本設(shè)計(jì)中，無線WiFi控制模塊可以實(shí)時(shí)接收平板電腦、手機(jī)等智能終端的控制命令。為能夠強(qiáng)化無線WiFi 控制模塊的命令接收及處理效果，無線WiFi 控制模塊還集成了ESP8266 系列的芯片。在實(shí)際使用過程中ESP8266 芯片將可以支持softAP 模式、station 模式以及softAP+station 模式三種命令模式。在設(shè)計(jì)中，本文最終采用了三種控制模式中的softAP 模式，即基于同一個(gè)路由器下的智能終端控制，從而有效確保控制的精確性和穩(wěn)定性。

3 智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)總體思路

本文所設(shè)計(jì)的智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。

圖2 智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路圖

3.2 LED 亮度控制程序

3.2.1 PWM 調(diào)節(jié)LED 亮度原理

LED 燈作為一種發(fā)光二極管，其啟停速度是其他燈具所無法比擬的。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)LED 燈的該種優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行充分利用，為此，本文將會(huì)通過改變脈沖寬度的方式來控制LED 燈的亮度，該種控制方法也被稱為PWM 調(diào)光法。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，想要實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)光法，還需要對脈沖頻率和定時(shí)器比較值兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。其中脈沖頻率作為PWM 調(diào)光法中對LED 燈啟停的控制方式，其實(shí)際設(shè)置效果將會(huì)直接影響到LED 的啟停效果。在實(shí)際控制過程中，LED 燈將會(huì)處于一個(gè)快速啟停的狀態(tài)，若是設(shè)置的脈沖頻率比較低，那么LED 燈的啟停便會(huì)在人眼留下殘留，在考慮到人眼的接收頻率以后，最終設(shè)計(jì)中的脈沖頻率應(yīng)超過100Hz，但人類的聽力范圍在20Hz-20kHz 之間，若是低于20kHz，那么在對LED 燈控制過程中，變可能會(huì)產(chǎn)生一些人耳能夠接收到的噪音。但若是脈沖頻率超過20kHz，那么便可能會(huì)導(dǎo)致脈沖波形失真，最終在多次調(diào)整和試驗(yàn)后，本文最終選擇了人耳并不是很敏感的10kHz 作為脈沖頻率。

通過PWM 調(diào)光法對LED 燈進(jìn)行控制，LED 燈的亮度調(diào)節(jié)并不是依靠功率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而是依靠LED 燈的啟停交替過程。在LED 燈的啟停速度夠快的時(shí)候，那么人眼便會(huì)認(rèn)為LED 的一直來工作，在頻繁啟停在是，若是LED 燈亮的時(shí)間長，那么人眼接受的亮度就越高，反之亮度則越低。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在智能終端與無線WiFi 控制模塊處于同一個(gè)路由器下后，ESP8266 芯片便可以對智能終端所發(fā)出的控制命令進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、處理，并傳遞給單片機(jī)，通過脈沖頻率對LED 燈進(jìn)行控制。在本文中，LED 燈的控制分為整體控制和分組控制兩部分，其中整體控制部分就是對所有LED 燈進(jìn)行全部啟停控制；分組控制則是將兩個(gè)高亮度LED 燈進(jìn)行分別控制。另外，考慮到家庭中對于LED 燈的亮度需求情況，本文將會(huì)設(shè)計(jì)出三個(gè)亮度檔位，并且三個(gè)檔位會(huì)進(jìn)行循環(huán)啟動(dòng)，系統(tǒng)開啟時(shí)LED 燈將會(huì)默認(rèn)為最高亮度，使用者可以通過智能終端設(shè)備在三個(gè)亮度檔位中進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)。

4 總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今人們對于智能燈光控制系統(tǒng)的實(shí)際需求性和要求也在不斷增加。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于WIFI 的智能燈光控制系統(tǒng)，相比較傳統(tǒng)的智能燈光控制系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)由于采用的無線WiFi 接受數(shù)據(jù)信號，所以可以有效的避免了諸多布線情況，方便系統(tǒng)的拓展和移動(dòng)，有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。