基于ESP8266 Wi- Fi 模塊的照明節能系統

鄒磊 陳偉利 王亞娟 吳金龍

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春 130000）

1 背景

隨著我國國民經濟的極速發展，人們對電能的需求日益加大，電能的供需矛盾逐漸凸顯。尤其是在“十三五”以來，全國用電量和用電負荷的增長是極其迅速地，全國一部分地區出現了缺電現象，這種情況在一定程度上阻礙了我們經濟社會的發展和人民生活水平地提高，因此照明節能的勢在必行。同時，國內房產行業的飛速發展，各類寫字樓和辦公樓不斷出現，這類人員高度密集的建筑，對照明的質量要求越來越高。隨著照明技術的發展，辦公樓照明節電已成為節能的重要途徑。

傳統照明模式無法滿足照明的節能需求，智能照明技術應運而生。隨著照明系統應用場合的不斷變化，應用情況也逐步復雜和豐富多彩，僅靠簡單的開關控制已不能完成所需要的控制，所以要求照明控制也應隨之發展和變化，以滿足實際應用的需要。

智能照明控制系統運用了計算機技術、通信技術、自動控制技術、總線技術、信號檢測技術和微電子技術的迅速發展和相互滲透，使得照明控制技術有了很大的發展，照明進入了智能化控制的時代。

實現照明控制系統智能化的主要目的有兩個：一是可以提高照明系統地控制和管理水平，減少照明系統的維護成本；二是可以節約能源，減少照明系統的運營成本。

2 傳統照明與智能照明的對比

2.1 傳統照明

傳統照明通常只能實現照明設備開、關操作，部分可以調節亮度的照明設備也都依賴于人為操作。若面積較大、房間較多、沒有遙控功能，無法實現照明設備的全開全關等操作。而燈具越多，墻壁上的控制開關就越多，嚴重影響了室內美觀。多個房間電燈同時打開，關閉時需要人為逐間關閉，耗費能源和時間。

（1）開關依靠手動控制，使用不便利；布線十分繁瑣，并且手動開關存在著較大的安全隱患，影響著人們高質量的生活。

（2）系統功能薄弱，無法調光，沒有護眼功能，沒有記憶儲存功能。

（3）技術缺乏創新，建筑布線模式化嚴重，對人力、物力、工時也是一種浪費。

（4）傳統照明光亮固定化，消耗功率較大，能源浪費。

2.2 智能照明

相比于傳統照明，智能照明采用了最新的科學技術對傳統照明進行了優化，避免了傳統照明的缺點。智能照明能夠實現全自動調光，智能照明控制系統可以預設和增加全自動的工作狀態，并且各個狀態間可以直接地、自由地切換。智能照明現有的基本優點如下：

（1）智能照明擁有定時功能，可以根據用戶設定的時間對指定照明設備進行全自動控制，而不需要人為控制。

（2）智能照明設備可以智能調光，根據當前室內環境照度來智能調節有控光功能的建筑照明設備，以此調節屋內整體的照明情況，使室內光照效果始終保持在預設的水平，進而降低電費支出，減輕供電壓力。

（3）另外，智能照明還具有情景聯動、遠控控制、一鍵控制、語音控制等基本功能，而這些功能都在極大的程度上提高了照明設備的使用效率，降低了能耗。

（4）智能照明控制系統通常是采用軟啟動的方式，能很好地控制沖擊和電涌，使燈絲免受熱沖擊，使光源壽命得以提高。

3 ESP8266 Wi-Fi

ESP8266 是一款無線WIFI 模塊，ESP8266 模組既可以通過ESP-AT 指令固件，為外部主機MCU 提供Wi-Fi 連接功能；也可以作為獨立Wi-Fi MCU 運行，用戶通過基于RTOS的SDK 開發帶Wi-Fi 連接功能的產品。用戶可以輕松實現開箱即用的云連接、低功耗運行模式，以及包括WPA3 在內的Wi-Fi 安全支持等功能。

3.1 引腳介紹

圖1

URXD UART_RXD，接收

圖2

UTXD UART_TXD，發送

RST 外部Reset 信號，低電平復位，高電平工作（默認高）

GND GND

VCC 3.3V，模塊供電

GPIO 0 工作模式選擇：懸空：FlashBoot，工作模式；下拉：UARTDownload，下載模式

CH_PD 高電平工作；低電平模塊供電關掉

GPIO 2 （1）開機上電時必須為高電平，禁止硬件下拉；（2）內部默認已拉高。

3.2 ESP8266 的工作模式

ESP8266 可以用來做串口透傳，PWM 調控，遠程控制開關：控制插座、開關、電器等。該模塊有三種工作模式：STA 模式：ESP8266 模塊通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。AP 模式：ESP8266 模塊作為熱點，手機或電腦直接與模塊連接，實現局域網無線控制。STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，即可以通過互聯網控制可實現無縫切換，方便操作。

3.3 ESP8266 的使用方式

3.3.1 使用AT 指令進行操作：這是最常見的方式，也是最簡單是一種方式。無需編程，使用PC 端的串口助手配合簡單的指令就可以實現，也可以配合單片機發送指令使用。

3.3.2 LUA 語言編程：這是一種單獨8266 編程的方式，可以不依靠單片機和串口調試軟件，直接把程序編寫到8266 內部。

3.3.3 Arduino 開發環境編程：這個接觸過Arduino 的都會比較熟悉。可以直接在Arduino ide 的環境下使用Arduino 的開發方式進行開發。

4 系統地設計

4.1 照明節能控制系統的組成

在本套系統中，每個房間內的插座和照明設備均可利用ESP8266 Wi-Fi 模塊來直接控制他們的工作狀態。在每個已經命名或標號的房間外再設置另一個ESP8266 Wi-Fi 模塊，實現對屋內的ESP8266Wi-Fi 模塊無線控制。另外，在房間入口設置一個紅外傳感器模組，紅外模塊與屋外的ESP8266 模塊的I/O 口連接，在紅外傳感器采集到的信號傳輸到ESP8266 模塊之后，由屋外的ESP8266Wi-Fi 模塊控制屋內其他的Wi-Fi 模塊，進而實現對屋內燈和插座的工作狀態進行控制。房間外的ESP8266 Wi-Fi 模塊通過RS485 總線相連接，方便對每一個ESP8266 Wi-Fi 模塊的編程，同時通過設置TCP/IP 轉換器，實現信息在RS485 總線和RJ45網線中的相互轉換，進而實現對屋內插座和照明設備的控制。

4.2 本套系統的亮點

本智能照明節能系統充分利用了ESP8266 Wi-Fi 模塊的基本特性，用無線控制無線的模式，實現了對室內的全部照明設備的無線控制，極大地減少了室內墻體的布線和開關的數量。同時利用紅外的檢測功能，能夠有效且靈敏的判斷室內人員情況。結合當下實際情況，紅外還可以增加測溫功能，對進入房間的每一個人進行測溫。另外，ESP8266Wi-Fi 模塊具有極高的可拓展性，可以增加本系統的多樣性和靈活性。

5 結論

經濟社會的發展，能源的損耗是必然。但是我們能夠通過技術的不斷革新優化來減少能源的不必要消耗。本套系統即是利用Wi-Fi 來進行無線的信號傳輸，實現設備的無線控制。Wi-Fi 技術是智能家居領域的一個重要的研究熱點和難點，也是目前設備智能化發展的一種趨勢。本智能照明系統的優勢主要集中在以下方面：第一，無人干預，智能無線控制技術。第二，個性化、人性化照明，拓展照度感應裝置后，可以根據環境光效情況智能調節照明設備亮度。第三，多燈聯網，通過上位機可以監測照明設備的使用時長和運行情況，同時可以統一集中控制所有的照明設備，減少了設備的運維成本。第四，系統的總體結構簡單，構架清晰，具有極強的實用性，除了在辦公樓、寫字樓適用，廊道、地下停車庫等其他大型場合，也可以達到良好的照明、節能的效果。